Precyzyjny przenośny detektor tlenku azotu

Precyzyjny przenośny detektor tlenku azotu

Tlenek azotu. W powietrzu stanowi zagrożenie, w ciele wpływa na bicie serca, przepływ krwi, sygnały nerwowe, czy wreszcie funkcje immunologiczne. Zespół naukowców z Uniwersytetów Princeton oraz Rice zaprezentował nową metodę identyfikowania tlenku azotu z wykorzystaniem laserów, oraz czujników, która jest niedroga, łatwa do przeprowadzenia i bardzo czuła. Takie przenośne urządzenie, nadające się do zastosowań na dużą skalę, mogłoby okazać się niezwykle użyteczne w badaniach nad atmosferą, kontroli zanieczyszczenia, biologii, czy medycynie.

Tlenek azotu jest tak potężny, że już kilka cząsteczek znajdujących się w miliardzie, a nawet bilionie cząsteczek powietrza powoduje powstawanie smogu, kwaśnych deszczów, czy niszczenie powłoki ozonowej. Równocześnie minimalna jego ilość w oddechu pacjenta mogłaby pomóc diagnozować astmę, oraz inne schorzenia.

Naukowcy wierzą, że ich urządzenie może znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach, począwszy od kontrolowania emisji zanieczyszczeń przez samochody, po monitorowanie narażenia ludzi na zanieczyszczenia w środowiskach miejskich i przemysłowych. Urządzenie to jest szczególnie atrakcyjne w kontekście zastosowań medycznych, gdyż wyniki nie są podatne na zafałszowania spowodowane oparami wody obecnymi w próbkach oddechu.

„Czujnik, który skonstruowaliśmy jest zdecydowanie precyzyjniejszy i czulszy niż systemy istniejące; a do tego jest o wiele bardziej kompaktowy i przenośny.” – powiedział Gerard Wysocki, profesor elektrotechniki w Princeton.

Wysocki jest jednym z liderów zespołu, który skonstruował system i przeprowadził pierwsze testy podczas Igrzysk Olimpijskich w Pekinie w 2008 roku. W skład zespołu wchodzą również: Frank Tittel z Rice, Robert Curl, laureat nagrody Nobla, oraz Rafał Lewicki i James Doty III, również z Rice.

Wraz z udoskonaleniami wprowadzonymi po testach w Pekinie, system jest na tyle niewielki, że zmieściłby się w pudełku po butach. Dzięki swoim rozmiarom i mobilności, system jest wprost idealny do zastosowań na dużą skalę.

Istniejące systemy wykrywające tlenek azotu oraz inne gazy śladowe mają wiele wad. Niektóre, jak domowe czujniki tlenku węgla są niewielkie i niedrogie, ale niezbyt czułe. Czujniki te są w stanie wykrywać gazy w stężeniu na poziomie cząstek na milion, a już nie na poziomie cząstek na miliard. Natomiast systemy zaawansowane, jak spektrometry masowe, czy chromatografy, są zdecydowanie bardziej czułe, jednakże równocześnie są powolne, nieporęczne i drogie, zupełnie niepraktyczne w kontekście zastosowań poza laboratorium.

Znane ze swej czułości są systemy optyczne, które przepuszczają wiązkę laserową przez próbkę gazu i wykrywa, czy część światła laserowego jest przez tę próbkę pochłaniana. Słabością tej metody jest to, że ilość światła absorbowanego w porównaniu z natężeniem całej wiązki laserowej jest bardzo niewielka, przez co sygnał jest bardzo trudny do wykrycia. Co więcej, konwencjonalne czujniki optyczne są duże i nieporęczne, a przy tym wymagają dużej liczby próbek i czasu poświęconego przez operatora.

Nowy system skonstruowany przez naukowców z Princeton i Rice wykorzystuje również sensorykę optyczną, jednakże generuje przy tym zdecydowanie silniejszy sygnał. Naukowcy przepuścili światło laserowe przez filtry polaryzujące, które blokują całe światło, chyba że obecny jest tlenek azotu. Im więcej jest tlenku azotu, tym więcej światła przedostaje się przez filtry. „Nie ma w tle sygnału, o który musielibyśmy się martwić.” – stwierdził Wysocki.

Detektory tlenku azotu korzystały już wcześniej z podobnych metod, jednakże dotąd ich zastosowanie ograniczone było do laboratoriów przez konieczność stosowania źródeł światła lasera dużej mocy. W odróżnieniu od nich, nowy system wykorzystuje kwantowy laser kaskadowy. Dzięki niemu możliwe jest wykrywanie gazów o stężeniu na poziomie kilku cząstek na miliard. Urządzenie to jest tak precyzyjne, że może rozróżnić poszczególne izotopy azotu i tlenu w cząsteczkach tlenku azotu.

„To niesamowite, że dysponujemy takim poziomem czułości.” – powiedział Curl.

„Przenośny czujnik, który jest w stanie permanentnie mierzyć tlenek azotu z taką czułością jest prawdziwym przełomem.” – powiedział Tittel.

W odróżnieniu od innych systemów, które potrzebują nawet kilku litrów próbki gazu, nowy czujnik potrzebuje jedynie kilku mililitrów zamkniętych w pojemniku o długości 40 centymetrów i niewiele ponad centymetra średnicy. Co również jest ważne, nowy system może działać dłużej bez interwencji operatora; jest to kilka godzin w porównaniu do kilku minut w przypadku innych urządzeń tego rodzaju.

(lk)