Sensori ultrasensibili su un chip rilevano con precisione tracce di gas
I sensori di gas tradizionali di fascia alta tendono a essere costosi e di grandi dimensioni: in genere contengono un tubo di vetro come componente più grande, del volume di 100 microlitri. Tuttavia, i sensori più piccoli possono essere inaffidabili se non utilizzano la spettroscopia per rilevare molecole di gas specifiche. «Il nostro obiettivo era sviluppare un sensore ultrasensibile di gas traccia in grado di percepire il più piccolo “odore” delle molecole disperse nell’aria», spiega la coordinatrice del progetto Jana Jágerská, docente associata presso UiT Università artica della Norvegia(si apre in una nuova finestra) a Tromsø. «I sensori tradizionali di solito non sono abbastanza specifici per le applicazioni ambientali. Soffrono di deriva della calibrazione e di altri problemi», osserva l’esperta. Il progetto sCENT(si apre in una nuova finestra) elimina l’ingombrante tubo di gas, sostituendolo con un microchip combinato con una cella microfluidica miniaturizzata di appena 20 microlitri. Il progetto sCENT è stato intrapreso con il sostegno del Consiglio europeo della ricerca(si apre in una nuova finestra). La cella microfluidica superiore porta il campione di gas sulla superficie del chip per il rilevamento. «Il campione può essere delle dimensioni di un microlitro», spiega l’esperta.
Spettroscopia per un rilevamento accurato
La spettroscopia è stata combinata con il design pionieristico della guida d’onda del progetto per il rilevamento di gas specifici. «I diversi picchi di assorbimento negli spettri sono legati in modo univoco a diverse molecole chimiche», spiega Jágerská. «Dalla posizione spettrale di quei picchi, sappiamo esattamente quali gas sono presenti nel nostro campione e dalla profondità di quei picchi ne conosciamo la concentrazione nel campione.» Aggiunge che il sensore è molto specifico e non necessita di calibrazione, il che lo rende più affidabile.
La sfida di passare alla gamma più sensibile del medio infrarosso
Il progetto ha lavorato su vari design di chip per integrare la fotonica a guida d’onda in cui la luce guidata interagisce in modo estremamente efficiente con i gas circostanti. Ma ci sono state sfide tecniche, in particolare nel passaggio dalla gamma del vicino infrarosso a quella del medio infrarosso, la gamma in cui le molecole hanno le loro impronte digitali spettrali. «Se si vuole effettuare un rilevamento sensibile, si va verso il medio infrarosso», osserva Jágerská. «Tuttavia, la gamma spettrale del medio infrarosso risultava non comportarsi allo stesso modo della [più comune] fotonica del vicino infrarosso.» «I materiali utilizzati per la fotonica del vicino infrarosso all’inizio sembravano completamente opachi nella gamma del medio infrarosso. Abbiamo quindi dovuto lavorare per modificare il design e i materiali di cui erano fatti i chip per arrivare a un dispositivo funzionante che potessimo poi ottimizzare ulteriormente.»
Rilevamento di precisione dei gas traccia
Il rilevamento di gas traccia a livelli di parti per miliardo (ppb) di alta precisione è importante per il monitoraggio ambientale e la sanità. Il progetto si è concentrato sui gas traccia, come il metano (CH4) e l’anidride carbonica (CO2), e poi sulla rilevazione degli isotopi della CO2. «Siamo riusciti a rilevare 300 molecole di metano in un miliardo di altre molecole, un miglioramento di uno o due ordini di grandezza rispetto allo stato dell’arte», osserva Jágerská. «Per quanto riguarda la CO2, abbiamo migliorato il rilevamento di quattro ordini di grandezza fino a 20 ppb», aggiunge l’esperta, sottolineando che altri laboratori di ricerca non sono in grado di scendere sotto le 100 parti per milione (ppm). «Questo rende i nostri sensori i migliori del momento.» L’elevata sensibilità favorisce anche il rilevamento specifico dell’isotopo della CO2. Gli isotopi possono discriminare tra emissioni antropiche e biogeniche e hanno applicazioni nella ricerca medica. «Prima esistevano solo strumenti di fascia alta per il rilevamento degli isotopi. È la prima volta che viene dimostrato su un chip fotonico», spiega.
Il microchip può far parte di un dispositivo di monitoraggio
Secondo Jágerská, il progetto è passato da «solo idee» al raggiungimento di una prova di concetto. Il sensore spettroscopico a medio infrarosso integrato con un laser, un chip rivelatore e una cella microfluidica può essere incorporato nei dispositivi per il monitoraggio ambientale, ad esempio. «Attualmente stiamo lavorando all’assemblaggio del sensore in un prototipo di dispositivo», spiega. Questo lavoro è in corso nell’ambito del progetto sCENT2, finanziato dall’UE.
Parole chiave
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