Ultraczułe czujniki na chipie umożliwiają dokładne wykrywanie gazów śladowych
Tradycyjne, wysokiej klasy czujniki gazu są zazwyczaj kosztowne i duże — ich największym komponentem jest zazwyczaj szklana rurka o objętości 100 mikrolitrów. Mniejsze czujniki mogą być jednak zawodne, jeżeli nie wykorzystują spektroskopii do wykrywania konkretnych cząsteczek gazów. „Naszym celem było opracowanie ultraczułego czujnika gazów śladowych, który potrafiłby «wywąchać» najmniejszą nawet ilość cząsteczek rozproszonych w powietrzu” — wyjaśnia koordynatorka projektu Jana Jágerská, profesor nadzwyczajna na Norweskim Uniwersytecie Arktycznym(odnośnik otworzy się w nowym oknie) w Tromsø. „Tradycyjne czujniki zazwyczaj nie są wystarczająco specyficzne do zastosowań środowiskowych. Obciążone są dryftem kalibracji i innymi problemami” — zauważa. Projekt sCENT(odnośnik otworzy się w nowym oknie) eliminuje nieporęczną rurkę gazową, zastępując ją mikroprocesorem połączonym ze zminiaturyzowaną komorą mikrofluidyczną o pojemności zaledwie 20 mikrolitrów. Projekt sCENT został zrealizowany przy wsparciu Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Mikroprzepływowa górna komora przenosi próbkę gazu na powierzchnię chipa w celu detekcji. „Próbka może mieć objętość zaledwie jednego mikrolitra” — podkreśla.
Wykorzystanie spektroskopii do dokładnego wykrywania
Spektroskopia została połączona z pionierskim projektem falowodu do wykrywania konkretnych gazów. „Różne piki absorpcji na widmach są jednoznacznie powiązane z różnymi cząsteczkami chemicznymi" — wyjaśnia Jágerská. „Na podstawie pozycji tych pików na widmie wiemy dokładnie, jakie gazy znajdują się w naszej próbce, a na podstawie głębokości tych pików znamy stężenie tych gazów w próbce”. Dodaje, że czujnik jest bardzo specyficzny i nie wymaga kalibracji, co zwiększa jego niezawodność.
Wyzwania związane z przejściem na bardziej czuły zakres średniej podczerwieni
W ramach projektu pracowano nad różnymi projektami chipów, które pozwoliłyby zintegrować fotonikę falowodową, w której kierowane światło niezwykle skutecznie oddziałuje z otaczającymi gazami. Pojawiły się jednak wyzwania techniczne, w szczególności związane z przejściem z zakresu bliskiej na średnią podczerwień — zakresu, w którym cząsteczki mają swoje charakterystyczne obszary widma, zwane „odciskami palców”. „Jeżeli chcesz wykrywać z wysoką czułością, musisz przejść do średniej podczerwieni” — zauważa Jágerská. „Okazało się jednak, że zakres widmowy średniej podczerwieni nie zachowuje się w taki sam sposób, jak [bardziej powszechna] fotonika bliskiej podczerwieni”. „Materiały stosowane w fotonice bliskiej podczerwieni początkowo wydawały się całkowicie nieprzezroczyste w zakresie średniej podczerwieni. Musieliśmy więc pracować nad modyfikacją projektów i materiałów, z których wykonane były chipy, aby dotrzeć do punktu, w którym mamy działające urządzenie, które możemy następnie dalej optymalizować”.
Precyzyjne wykrywanie gazów śladowych
Wykrywanie gazów śladowych na bardzo precyzyjnych poziomach ppb (części na miliard) jest ważne dla monitorowania środowiska i ochrony zdrowia. Projekt skupiał się na gazach śladowych, takich jak metan (CH4) i dwutlenek węgla (CO2), a następnie na wykrywaniu izotopów CO2. „Byliśmy w stanie wykryć 300 cząsteczek metanu w miliardzie innych cząsteczek, co stanowi poprawę o jeden do dwóch rzędów wielkości w porównaniu z aktualnym stanem wiedzy” — zauważa Jágerská. „W przypadku CO2 poprawiliśmy wykrywalność o cztery rzędy wielkości, do 20 ppb” — dodaje, zauważając, że inne laboratoria badawcze zazwyczaj nie są w stanie zejść poniżej 100 części na milion (ppm). „To oznacza, że nasze czujniki są obecnie najlepsze”. Wysoka czułość pomaga również w wykrywaniu specyficznych izotopów CO2. Izotopy mogą umożliwiać rozróżnianie pomiędzy emisjami antropogennymi i biogennymi, można je również wykorzystać w badaniach medycznych. „Do tej pory istniały wyłącznie wysokiej klasy przyrządy do wykrywania izotopów. Po raz pierwszy zostało to zademonstrowane na chipie fotonicznym” — mówi.
Mikrochip może być częścią urządzenia monitorującego
Jak mówi Jágerská, projekt przeszedł od „zwykłych pomysłów“ do etapu weryfikacji koncepcji. Czujnik spektroskopowy w średniej podczerwieni zintegrowany z laserem, chipem detektora i komorą mikroprzepływową może być na przykład wbudowany w urządzenie do monitorowania środowiska. „Obecnie pracujemy nad montażem czujnika w prototypowym urządzeniu”— wyjaśnia. Prace te są prowadzone w ramach finansowanego przez UE projektu sCENT2.
