Uniwersalny spektrometr światłowodowy oferuje kompaktową konstrukcję w mikroskali i wydajność porównywalną z tradycyjnymi systemami laboratoryjnymi.
Zminiaturyzowane systemy spektroskopowe zdolne do wykrywania śladowych stężeń na poziomie części na miliard (ppb) mają kluczowe znaczenie w zastosowaniach takich jak monitorowanie środowiska, kontrola procesów przemysłowych i diagnostyka biomedyczna.
Jednakże konwencjonalne, laboratoryjne systemy spektroskopii są często zbyt duże, złożone i niepraktyczne, aby można je było stosować w ograniczonych przestrzeniach. Tradycyjne techniki spektroskopii laserowej wykorzystują nieporęczne elementy — w tym źródła światła, zwierciadła, detektory i ogniwa gazowe — do pomiaru absorpcji lub rozpraszania światła. To sprawia, że nie nadają się do zastosowań minimalnie inwazyjnych, takich jak diagnostyka wewnątrznaczyniowa, gdzie istotna jest zwartość i precyzja.
W badaniu opublikowanym w Zaawansowana fotonikabadacze z Chin zaprezentowali przełomowy zminiaturyzowany, całkowicie światłowodowy spektrometr fotoakustyczny (FPAS). To innowacyjne urządzenie może wykrywać gazy śladowe na poziomie ppb i analizować próbki w skali nanolitrów z czasem reakcji wynoszącym milisekundy, dzięki czemu szczególnie dobrze nadaje się do ciągłej analizy gazów wewnątrznaczyniowych.
„Próbowaliśmy sprostać znaczącemu wyzwaniu, jakim było zmniejszenie obecnego spektrometru fotoakustycznego do rozmiarów mikroskali, przy jednoczesnym zachowaniu jego wysokiej wydajności wykrywania, szczególnie w przypadku diagnostyki wewnątrznaczyniowej i monitorowania stanu baterii litowej, które wymagają minimalnej inwazyjności” – wyjaśnia profesor Bai-Ou Guan z Uniwersytetu Jinan, odpowiedni autor artykułu.
Wykorzystanie spektroskopii fotoakustycznej
Podczas gdy obecne systemy spektroskopii laserowej, głównie w konfiguracjach z otwartą ścieżką, charakteryzują się nieodłączną czułością zmniejszania skali w zależności od wielkości urządzenia, proponowany FPAS działa w oparciu o spektroskopię fotoakustyczną (PAS), która wykrywa fale dźwiękowe generowane przez cząsteczki gazu wzbudzone przez modulowane światło .
Zamiast stosować nieporęczne rezonansowe ogniwo gazowe do wzmocnienia akustycznego lub wielkogabarytowy mikrofon zapewniający wyższą czułość akustyczną, jak w tradycyjnych systemach PAS, spektrometr fotoakustyczny wykonany w całości z włókien integruje elastyczną membranę wzorzystą laserowo w pojedynczej końcówce światłowodu z sekcją kapilary krzemionkowej skonstruować wnękę Fabry’ego – Perota (F – P) w mikroskali. Wnęka krzemionkowa działa jak twarda dla dźwięku granica, skutecznie ograniczając i gromadząc fale akustyczne generowane przez cząsteczki gazu w kierunku elastycznej membrany. To lokalne wzmocnienie akustyczne kompensuje utratę czułości spowodowaną zmniejszeniem średnicy membrany i skutkuje niezależną od rozmiaru odpowiedzią fotoakustyczną.
Ponadto zarówno wiązki światła pompy, jak i sondy są dostarczane bezpośrednio przez ten sam włókno w celu wzbudzenia i detekcji sygnału fotoakustycznego, co pozwala uniknąć nieporęcznej optyki w wolnej przestrzeni do dostarczania światła.
Kompaktowa i wydajna konstrukcja
Z wnęką F–P mierzącą zaledwie 60 mikrometrów (1 µm = 10-6 m) długości i 125 µm średnicy, system jest wyjątkowo kompaktowy. Pomimo niewielkich rozmiarów osiąga granicę wykrywalności dla acetylenu wynoszącą zaledwie 9 ppb, co jest prawie tak samo czułe jak większe, tradycyjne spektrometry laboratoryjne. Mała długość wnęki umożliwia również ultraszybkie pomiary z czasem reakcji wynoszącym zaledwie 18 milisekund, czyli o 2 do 3 rzędów wielkości szybciej niż w przypadku konwencjonalnych systemów spektroskopii fotoakustycznej.
Naukowcy z powodzeniem monitorowali w czasie rzeczywistym poziom dwutlenku węgla (CO2) stężenia w przepływającym gazie, wykryto fermentację w roztworach drożdży przy objętości próbek tak małych jak 100 nanolitrów i śledzono rozpuszczony CO2 poziomy w naczyniach krwionośnych szczura na żywo poprzez wprowadzenie FPAS do żyły ogonowej za pomocą strzykawki. „Spektrometr skutecznie zmierzył CO2 poziomy w warunkach niedotlenienia (niski poziom tlenu) i hiperkapnii (wysoki poziom CO).2), podkreślając jego potencjał w zakresie monitorowania wewnątrznaczyniowej gazometrii krwi w czasie rzeczywistym bez konieczności pobierania próbki krwi” – wyjaśnia profesor nadzwyczajny Jun Ma z Uniwersytetu Jinan.
Co więcej, światłowód można łatwo podłączyć do niedrogiego źródła lasera z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym i zintegrować z istniejącymi sieciami światłowodowymi, dzięki czemu system jest opłacalnym, kompaktowym i elastycznym rozwiązaniem do spektroskopii.
Dzięki niewielkim rozmiarom, wysokiej czułości i niewielkim wymaganiom dotyczącym objętości próbki proponowany zminiaturyzowany spektrometr zapewnia precyzję na poziomie laboratoryjnym w formacie sondy w mikroskali, z potencjałem do takich zastosowań, jak ciągłe wewnątrznaczyniowe monitorowanie gazometrii krwi, minimalnie inwazyjna ocena stanu zdrowia akumulatorów litowo-jonowych oraz zdalne wykrywanie wycieku gazu wybuchowego w bardzo wąskich przestrzeniach.
Odniesienie: „Mikroskalowa spektroskopia fotoakustyczna włókien do wykrywania gazów śladowych in situ i w czasie rzeczywistym”, autorzy: Jun Ma, Enbo Fan, Haojie Liu, Yi Zhang, Cong Mai, Xin Li, Wei Jin i Bai-Ou Guan, 17 grudnia 2024 r., Zaawansowana fotonika.
DOI: 10.1117/1.AP.6.6.066008
