Neue Photoakustische Technik Erkennt Multiple Nerve Agents gleichzeitig

Um von chemischen Angriffen warnen und Ihnen helfen , Leben zu retten , ist es wichtig , um schnell festzustellen, ob noch Spuren von potenziell tödlichen Chemikalien - wie dem Nervengas Sarin und andere geruchlos, farblos Agenten - vorhanden sind. US Army Forscher haben eine neue chemischen Sensor , der gleichzeitig identifizieren kann eine potenziell unbegrenzte Anzahl von Agenten in Echtzeit entwickelt. Ein Papier des Systems beschreibt, wurde in (OSA) Zeitschrift der Optical Society veröffentlicht wurde, Optics Letters .

Das neue System ist auf einem Phänomen, das als photoakustischen Effekt, der durch Alexander Graham Bell, in dem die Absorption von Licht durch Materialien erzeugt charakteristische akustische Wellen wurde entdeckt, bekannt ist. Mit Hilfe eines Lasers und sehr empfindliche Mikrofone - eine Technik, die als LaserphotoakustischeSpektroskopie ( LPAS ) - verschwindend geringen Konzentrationen von Gasen in Teilen pro Milliarde oder sogar Teilen pro Billion Levels detektiert werden kann . Bei den traditionellen LPAS Systeme ist jedoch, dass sie nur eine Chemikalie zu einem Zeitpunkt zu identifizieren.

" Photoakustik ist ein hervorragendes analytisches Werkzeug , aber etwas begrenzt in dem Sinne , dass man traditionell misst nur ein Absorptionsparameter in einer Zeit ", sagt Kristan Gurton , Experimentalphysiker an der US Army Research Laboratory ( ARL) in Adelphi , Maryland . " als ich begann, mich in der chemischen / biologischen Erkennungsproblem , wurde deutlich, dass mehrere LPAS Absorptionsmessungen - was einer " Absorptionsspektrum ." - könnte den zusätzlichen Informationen in jeder Detektion und Identifizierung Schema erforderlich sind "

Um eine solche Mehrfachwellenlängen LPAS System Gurton , zusammen mit Co-Autoren Melvin Felton und Richard Tober der ARL schaffen , ausgelegt einen Sensor als photoakustische Zelle bekannt. Dieser hohle , zylindrische Vorrichtung hält das Gas entnommen und enthält Mikrophone , die für die charakteristische Signal hören kann , wenn Licht auf die Probe aufgebracht .

In diesem Experiment verwendeten die Forscher eine spezielle Zelle, die verschiedene Gase durch die Vorrichtung zur Prüfung fließen lässt . Wenn der Dampf aus fünf Nervengift imitiert wurde geflossen drei Laserstrahlen , die jeweils auf einer anderen Frequenz im akustischen Bereich moduliert wird, wurden durch die Zelle vermehrt.

" Ein Teil der Laserleistung absorbiert , in der Regel über molekulare Übergänge und diese Absorption ergibt lokalisierte Erwärmung des Gases " Gurton erläutert . Molecular Gänge treten auf, wenn die Elektronen in einem Molekül von einem Energieniveau auf ein höheres Energieniveauangeregt . " Da Gas verflüchtigt thermische Energie ziemlich schnell , die modulierten Laser führt zu einer raschen Wärme- / Kältekreislauf , der einen schwachen Schallwelle erzeugt ", das vom Mikrofon aufgenommen wird . Jeder Laser in dem System einen einzelnen Ton zu erzeugen , so beispielsweise sechs Laserquellen Sechs unterschiedliche Töne. " Verschiedene Agenten werden die relative ' Lautstärke ' eines jeden Tones beeinflussen", sagt er, " so für ein Gas , einige Töne werden lauter als andere, und es sind diese Unterschiede, die für die Bestimmung von Arten zu ermöglichen. "

, Die Signale von einer lauten Umgebung zu extrahieren kann - - jeweils für eine bestimmte Laserfrequenz abgestimmt Die von jedem Laser erzeugten Signale wurden unter Verwendung mehrerer " Lock-in " Verstärker getrennt. Dann wird durch Vergleichen der Ergebnisse mit einer Datenbank von Absorptionsinformation für einen Bereich von chemischen Spezies , wobei das System identifiziert jedes der fünf Gasen.

Da es optisch basiert, ermöglicht das Verfahren zur sofortigen Identifizierung von Stoffen , solange das Signal -zu-Rausch -Verhältnis, das sowohl der Laserleistung und der Konzentration der Verbindung abhängt, die gemessen wird, ausreichend hoch ist, und das Material in Frage in der Datenbank ist .

Bevor eine Vorrichtung auf der Grundlage der Technik könnte in dem Gebiet verwendet werden , Gurton so würde ein Quantenkaskaden (QC) Laseranordnung mit mindestens sechs " gut gewählten " mid -infrared ( midIR ) Laserwellenlängen benötigen, zur Verfügung stehen.

" Es gibt Gruppen von Forschern Herstellung QC-Laser -Arrays, die mit ausreichender Leistung betrieben werden und wird bis zu 10 Haus - oder mehr - Laser mit unterschiedlichen Frequenzen im spektroskopisch reiche Region des Midir ", sagt er .

Sobald eine solche Laseranordnungen zur Verfügung , wobei das Verfahren schließlich "könnte für eine Vielzahl von Detektionsszenarienzwischen der offensichtlichen Notwendigkeit für unsere Soldaten während des Konflikts zur zivilen Anwendungen wie Nachweis der Anwesenheit von schädlichen chemischen Gasen, die nur schwer mit herkömmlichen Techniken zu erfassen sind, zu schützen zugeschnitten werden ", sagt Gurton . Eine ausreichend robustes Gerät für in-the- Feldeinsatz , er sieht , könnte etwa so groß wie eine Milchtüte sein . " Ein photoakustischen Zelle ist überraschend einfach und kostengünstig herzustellen , mit all den Kosten und der Größe vor allem durch die Verpackung der Quantenkaskadenlaser -Array angetrieben ", fügt er hinzu.

Theoretisch könnte das Verfahren verwendet werden, um eine unbegrenzte Anzahl von chemischen Mitteln zu identifizieren.

"In unserem Papier zeigten wir in der Lage, so viele identifizieren Absorptionsmerkmale zu messen , wie Sie wollen ", sagt Gurton . "Du bist nur durch die Anzahl von Laserquellen zur Verfügung begrenzt. " Allerdings stellt er fest , " zu einem bestimmten Zeitpunkt , als die Anzahl der Arten Spektren Anstieg in der Datenbank wäre ein Grad der spektralen Überlappung auftreten, die zu fehlerhaften Identifizierung führen könnten . Es kommt nur darauf an , wie ähnlich die Spektren zueinander. Sie konnte nur zwei , die sehr ähnliche Spektren haben und das könnte Probleme verursachen , oder 20 bis 30 Arten Spektren , dass alle unterscheidbare Merkmale, die leicht identifiziert werden können, haben könnte. "