Mendeteksi gas berbahaya dalam hitungan detik dengan teknologi baru
Metode peletakan batu pertama yang dikenal sebagai spektroskopi fotoakustik kuarsa yang dikendalikan secara koheren telah dikembangkan untuk mendeteksi dan mengidentifikasi gas pada konsentrasi yang sangat rendah dengan cepat.
Teknik baru ini, dengan aplikasi yang menjanjikan dalam pemantauan lingkungan, deteksi kanker dini, dan keselamatan proses kimia, memungkinkan untuk analisis gas yang komprehensif hanya dalam detik, suatu proses yang secara tradisional memakan waktu lebih lama.
Sensitivitas yang ditingkatkan dalam deteksi gas jejak
Para peneliti telah meluncurkan metode inovatif untuk mendeteksi dan mengidentifikasi jumlah jejak gas dengan kecepatan dan presisi yang luar biasa. Dikenal sebagai spektroskopi fotoakustik kuarsa yang dikendalikan secara koheren, pendekatan inovatif ini dapat membuka jalan bagi sensor yang sangat sensitif dan real-time yang digunakan di bidang-bidang seperti pemantauan lingkungan, analisis napas medis, dan kontrol proses kimia.
“Sebagian besar gas hadir dalam jumlah kecil, jadi mendeteksi gas pada konsentrasi rendah penting dalam berbagai industri dan aplikasi,” jelas Simon Angstenberger, pemimpin tim peneliti dari University of Stuttgart di Jerman. “Tidak seperti metode deteksi gas jejak lainnya yang mengandalkan photoacoustics, kami tidak terbatas pada gas tertentu dan tidak memerlukan pengetahuan gas sebelumnya yang mungkin ada.”
Diterbitkan hari ini (9 Januari) di OpticaThe Journal of the Optica Publishing Group, tim menunjukkan metode mereka dengan menangkap spektrum metana lengkap (3050 hingga 3450 nanometer) hanya dalam tiga detik – prestasi yang biasanya memakan waktu sekitar 30 menit.
“Teknologi baru ini dapat digunakan untuk pemantauan iklim dengan mendeteksi gas rumah kaca seperti metana, yang merupakan kontributor kuat untuk perubahan iklim,” kata Angstenberger. “Ini juga memiliki aplikasi potensial dalam deteksi kanker awal melalui analisis napas dan pada pabrik produksi kimia untuk mendeteksi kebocoran gas beracun atau mudah terbakar dan untuk kontrol proses.”
Lompatan teknologi dalam spektroskopi
Spektroskopi mengidentifikasi bahan kimia, termasuk gas, dengan menganalisis karakteristik penyerapan cahaya yang unik, mirip dengan “sidik jari” untuk setiap gas. Namun, untuk mendeteksi konsentrasi gas rendah dengan cepat, tidak hanya membutuhkan laser yang dapat disetel dengan cepat tetapi juga mekanisme deteksi yang sangat sensitif dan kontrol elektronik yang tepat dari waktu laser.
Dalam karya baru, para peneliti menggunakan laser dengan panjang gelombang yang sangat cepat yang dikembangkan oleh kolaborator di Stuttgart Instruments GmbH, spin-off dari universitas. Mereka juga memanfaatkan spektroskopi fotoakustik yang ditingkatkan kuarsa (QEPAS) sebagai mekanisme deteksi sensitif. Pendekatan spektroskopi ini menggunakan garpu tuning kuarsa untuk mendeteksi penyerapan gas dengan secara elektronik mengukur getarannya pada frekuensi resonansi 12.420 Hz, yang diinduksi oleh laser yang dimodulasi pada frekuensi yang sama. Laser memanaskan gas di antara cabang garpu dalam pulsa cepat, menyebabkan mereka bergerak dan menghasilkan tegangan piezoelektrik yang terdeteksi.
“Sementara faktor kualitas tinggi garpu tuning, yang membuatnya berdering untuk waktu yang lama, memungkinkan kita untuk mendeteksi konsentrasi rendah melalui apa yang oleh para ilmuwan menyebut peningkatan resonansi, itu membatasi kecepatan akuisisi,” jelas Angstenberger. “Ini karena ketika kita mengubah panjang gelombang untuk mendapatkan sidik jari molekul, garpu masih bergerak. Untuk mengukur fitur berikutnya, kita harus menghentikan gerakan. ”
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti mengembangkan trik yang disebut Kontrol Koheren. Ini melibatkan pergeseran waktu pulsa dengan tepat setengah siklus osilasi garpu sementara daya output laser tetap pada frekuensi yang sama. Hal ini menyebabkan denyut nadi laser sampai pada gas di antara garpu ketika cabangnya bergerak ke dalam. Trik ini meredam osilasi garpu karena saat gas menjadi panas dan mengembang, ia akan bertindak melawan pergerakan cabang. Setelah beberapa kilatan cahaya laser – lebih dari beberapa ratus mikrodetik – garpu berhenti bergetar dan pengukuran berikutnya dapat dilakukan.
Merevolusi kecepatan identifikasi gas
“Menambahkan kontrol yang koheren ke QEPAS memungkinkan identifikasi gas yang sangat cepat menggunakan sidik jari getaran dan rotasi,” kata Angstenberger. “Tidak seperti pengaturan tradisional terbatas pada gas spesifik atau puncak penyerapan tunggal, kita dapat mencapai pemantauan waktu nyata dengan kisaran tuning laser yang luas 1,3 hingga 18 μm, membuatnya mampu mendeteksi hampir semua gas jejak.”
Para peneliti menguji metode baru menggunakan laser yang dikembangkan oleh Stuttgart Instruments dan sel gas QEPAS yang tersedia secara komersial untuk menganalisis campuran metana yang dikalibrasi sebelumnya dengan 100 bagian per juta metana dalam sel gas. Mereka menunjukkan bahwa dengan qepas biasa, pemindaian terlalu cepat mengaburkan sidik jari spektral, tetapi dengan metode kontrol yang koheren, tetap jelas dan tidak berubah.
Sebagai langkah berikutnya, para peneliti berencana untuk mengeksplorasi keterbatasan teknologi baru untuk menentukan kecepatan maksimum dan konsentrasi penginderaan terendah. Mereka juga ingin menggunakannya untuk merasakan banyak gas, idealnya pada saat yang sama.
Referensi: “Kontrol Koheren dalam Photoacoustics yang Ditingkatkan Kuarsa: Sidik Jari Gas Jejak di Level PPM Dalam Detik” oleh Pavel Ruchka, Tobias Steinle, Luca Schmid, Moritz Floess, Simon Angstenberger dan Harald Giessen, 19 Januari 2025, Optica.
Doi: doi: 10.1364/optica.544448
