طیف‌سنج فیبر نوری تمام‌جانبه، طراحی میکروسکوپی فشرده‌ای ارائه می‌دهد که از نظر عملکرد با سیستم‌های آزمایشگاهی سنتی برابر است. سیستم‌های طیف‌سنجی مینیاتوری که قادر به شناسایی غلظت‌های کم در سطح قسمت در میلیارد (ppb) هستند، برای کاربردهایی مانند پایش محیطی، کنترل فرایندهای صنعتی و تشخیص‌های زیست پزشکی حیاتی هستند.
با این حال، سیستم‌های طیف‌سنجی سنتی معمولاً به‌قدری بزرگ، پیچیده و غیرعملی هستند که نمی‌توان در فضاهای محدود از آن‌ها استفاده کرد. تکنیک‌های سنتی طیف‌سنجی لیزری به قطعات حجیم—از جمله منابع نور، آینه‌ها، آشکارسازها و سلول‌های گازی—تکیه دارند تا جذب یا پراکندگی نور را اندازه‌گیری کنند. این امر آن‌ها را برای کاربردهای حداقل تهاجمی، مانند تشخیص درون‌عروقی، که در آن فشردگی و دقت ضروری هستند، نامناسب می‌سازد.
در یک مطالعه منتشر شده در “فوتونیک پیشرفته”، پژوهشگران چینی یک طیف‌سنج فوتوآکوستیک تمام‌فیبر (FPAS) مینیاتوری نوآورانه را معرفی کردند.
طیف‌سنج فوتوآکوستیک ابزار مهمی است که برای تحلیل ترکیبات شیمیایی و مواد مختلف استفاده می‌شود. این دستگاه به کمک تابش پرتوهای نور، انرژی را به مواد منتقل کرده و باعث ایجاد نوسانات فشار می‌شود که به صورت امواج صوتی ثبت می‌شوند.
این دستگاه نوآورانه قادر است گازهای ردیابی‌شده را در سطح ppb شناسایی کرده و نمونه‌های در مقیاس نانو لیتر را با زمان پاسخ‌دهی میلی‌ثانیه‌ای تجزیه و تحلیل کند که آن را به‌ویژه برای تحلیل گاز درون‌عروقی مداوم بسیار مناسب می‌سازد.
«ما سعی کردیم چالش قابل توجهی را برای کوچک‌سازی اسپکتروسکوپ فوتوآکوستیک فعلی به اندازه میکروسکوپی در حالی که عملکرد حسگری بالا را حفظ کنیم، به ویژه برای تشخیص درون‌عروق و پایش سلامت باتری‌های لیتیوم که نیاز به کمترین تهاجم دارند، برطرف کنیم»، پروفسور بای-او گوان از دانشگاه جینان، نویسنده مسئول این مقاله توضیح می‌دهد.
اسپکتروسکوپ یک ابزار علمی است که برای اندازه‌گیری و تحلیل طیف نور ناشی از مواد مختلف استفاده می‌شود. این ابزار به کاربران اجازه می‌دهد تا ویژگی‌های نوری ماده را شناسایی کرده و ترکیب شیمیایی و ساختار آن را بررسی کنند.
استفاده از اسپکتروسکوپی فوتوآکوستیک
در حالی که سیستم‌های کنونی اسپکتروسکوپی لیزری، عمدتاً در پیکربندی‌های مسیر باز، دارای حساسیت ذاتی برای کاهش اندازه با ابعاد دستگاه هستند، FPAS پیشنهادی با استفاده از اسپکتروسکوپی فوتوآکوستیک (PAS) عمل می‌کند، که امواج صوتی تولید شده توسط مولکول‌های گاز را هنگام تحریک با نور مدوله شده شناسایی می‌کند.
نور مدوله یا نور پالس، نوعی نور است که به صورت پالس‌های کوتاه و تکرار شونده منتشر می‌شود. این نوع نور معمولاً در کاربردهایی مانند ارتباطات نوری و فناوری لیزر مورد استفاده قرار می‌گیرد. مدولاسیون نور می‌تواند شامل تغییرات در شدت، فرکانس یا فاز نور باشد و برای انتقال اطلاعات به کار می‌رود.
به جای استفاده از سلول گاز با تماس رزونانت بزرگ برای تقویت صوتی یا میکروفن‌های بزرگ برای حساسیت صوتی بالاتر، مانند سیستم‌های PAS سنتي، اسپکتروسکوپ فوتوآکوستیک تمام‌فیبر یک غشای الاستیک الگوکاری‌شده با لیزر را در یک نوک فیبر نوری واحد با بخشی از کالیبر سیلیکا ادغام می‌کند تا یک حفره میکروسکوپی Fabry–Perot (F–P) ایجاد کند. حفره سیلیکای ایجاد شده به عنوان یک مرز مقاوم به صدا عمل می‌کند و به‌طور مؤثری امواج صوتی تولید شده توسط مولکول‌های گاز را به سمت غشای انعطاف‌پذیر محصور و جمع می‌کند. این تقویت محلی صوتی، کاهش حساسیت ناشی از کاهش قطر غشا را جبران کرده و پاسخ فوتوآکوستیک مستقل از اندازه را به وجود می‌آورد.
علاوه بر این، نورهای پمپاژ و پروب مستقیماً از طریق همان فیبر برای تحریک و تشخیص سیگنال فوتوآکوستیک منتقل می‌شوند و از استفاده از اپتیک‌های حجیم در فضای آزاد برای انتقال نور جلوگیری می‌شود.
طراحی جمع و جور و قوی
حفره F–P تنها ۶۰ میکرومتر (۱ میکرومتر = ۱۰^-۶ متر) در طول و ۱۲۵ میکرومتر در قطر اندازه دارد، بنابراین سیستم به‌طرز قابل توجهی جمع و جور است. با وجود اندازه کوچک خود، قادر است حساسیتی برای گاز استیلن به حداقل ۹ ppb برسد، که تقریباً به اندازه حساسیت اسپکتروسکوپ‌های بزرگ و سنتی آزمایشگاهی است. طول کوتاه حفره همچنین امکان اندازه‌گیری‌های فوق سریع را فراهم می‌کند، با زمان‌های پاسخ به سرعت‌های ۱۸ میلی‌ثانیه، که ۲ تا ۳ مرتبه سریع‌تر از سیستم‌های سنتی اسپکتروسکوپی فوتوآکوستیک است.
محققان به طور موفقیت‌آمیز غلظت‌های دی‌اکسید کربن (CO2) را در گاز در حال جریان در زمان واقعی پایش کردند، تخمیر در محلول‌های مخمر را با حجم نمونه‌هایی به کوچکای 100 نانولیتر شناسایی کردند، و سطح CO2 حل‌شده در رگ‌های خونی موش‌ها را به‌صورت درون‌زینی با وارد کردن FPAS به ورید دم از طریق یک سرنگ دنبال کردند. «طیف‌سنج به‌طور مؤثر سطح CO2 را در شرایط کم‌اکسیژن (هیپوکسی) و با غلظت بالای CO2 (هایپرکاپنیک) اندازه‌گیری کرد، که پتانسیل آن را برای پایش گازهای خون درون‌عروقی به صورت آنی بدون نیاز به جمع‌آوری نمونه خون نشان می‌دهد»، دکتر یو ما، استاد یاری از دانشگاه جینان توضیح می‌دهد.
علاوه بر این، الیاف نوری به راحتی به منبع لیزر با بازخورد توزیع شده و کم‌هزینه متصل می‌شوند و با شبکه‌های موجود الیاف نوری یکپارچه می‌شوند که این سیستم را به یک راه‌حل اقتصادی، جمع‌وجور و انعطاف‌پذیر برای طیف‌سنجی تبدیل می‌کند.
با اندازه کوچک، حساسیت بالا، و نیاز به حجم نمونه کم، این طیف‌سنج مینیاتوری دقتی در سطح آزمایشگاه را در قالب پروب میکرو ارائه می‌دهد و پتانسیل‌هایی برای کاربردهایی همچون پایش مستمر گازهای خون درون‌عروقی، ارزیابی سلامت حداقلی باتری‌های لیتیوم-یونی، و شناسایی ترکیدگی گازهای انفجاری در فضاهای بسیار باریک دارد.
پروب میکرو (Microprobe) یک ابزار علمی است که عمدتاً در میکروسکوپی و تحلیل مواد به کار می‌رود. این ابزار به محققان اجازه می‌دهد تا عناصر و ترکیبات شیمیایی را در سطح میکروسکوپی بررسی و تحلیل کنند.
Reference
Miniaturized Spectroscopy Delivers Real-Time Monitoring in Narrow Spaces