Spettrometro fotoacustico miniaturizzato

Lo spettrometro a fibra ottica tutto in uno presenta un ingombro su microscala e prestazioni paragonabili ai sistemi di laboratorio

La spettroscopia laser miniaturizzata in grado di rilevare gas in traccia a livello di ppb (parts per billion) in situ e in tempo reale è di fondamentale importanza per numerose applicazioni, tra cui il monitoraggio ambientale, il controllo dei processi industriali e la diagnosi biomedica. I sistemi di spettroscopia laser da banco basati sull'assorbimento diretto, sulla fotoacustica e sugli effetti Raman mostrano un'elevata sensibilità ma devono affrontare sfide per il rilevamento del gas in situ e in tempo reale a causa delle loro dimensioni ingombranti, della risposta lenta e del campionamento offline.

I sistemi di spettroscopia miniaturizzati in grado di rilevare concentrazioni di tracce a livello di parti per miliardo (parts per billion - ppb) sono della massima importanza in applicazioni che vanno dal monitoraggio ambientale e controllo dei processi industriali alla diagnostica biomedica. Tuttavia, i sistemi di spettroscopia da banco esistenti sono troppo grandi, complessi e poco pratici per l’uso in spazi ristretti. Inoltre, le tradizionali tecniche di spettroscopia laser utilizzano componenti ingombranti come sorgenti luminose, specchi, rilevatori e celle a gas per rilevare la luce assorbita o diffusa da un campione, il che le rende inadatte a scenari che richiedono un'invasività minima come la diagnosi intravascolare.

In uno studio pubblicato sulla rivista Advanced Photonics (1), ricercatori cinesi hanno introdotto un innovativo spettrometro fotoacustico miniaturizzato interamente in fibra (FPAS), progettato per rilevare gas in tracce a livello di ppb e analizzare campioni di dimensioni in nanolitri con tempi di risposta di millisecondi, rendendolo ideale per analisi continua dei gas intravascolari.

«Abbiamo tentato di affrontare la sfida significativa di ridurre l'attuale spettrometro fotoacustico a dimensioni microscala preservandone le elevate prestazioni di rilevamento, in particolare per la diagnosi intravascolare e il monitoraggio della salute delle batterie al litio che richiedono un'invasività minima», spiega il professor Bai-Ou Guan (2) della Jinan University, l'autore corrispondente dell'articolo.

Mentre gli attuali sistemi di spettroscopia laser, per lo più in configurazioni a percorso aperto, hanno una sensibilità intrinseca in scala ridotta con l'ingombro del dispositivo, il FPAS proposto funziona utilizzando la spettroscopia fotoacustica (PAS), che rileva le onde sonore generate dalle molecole di gas quando eccitate dalla luce modulata.

Invece di utilizzare ingombranti celle a gas risonanti per l'amplificazione acustica o un microfono di grandi dimensioni per una maggiore sensibilità acustica come i tradizionali sistemi PAS, lo spettrometro fotoacustico interamente in fibra integra una membrana elastica modellata al laser in una singola punta di fibra ottica con una sezione di capillare di silice per costruire una cavità Fabry-Perot (F-P) su microscala. La cavità di silice funge da confine insonorizzato, confinando e accumulando efficacemente le onde acustiche generate dalle molecole di gas verso la membrana flessibile. Questa amplificazione acustica locale compensa la perdita di sensibilità causata dalla riduzione del diametro della membrana e si traduce in una risposta fotoacustica indipendente dalle dimensioni.

Inoltre, sia i fasci luminosi della pompa che quelli della sonda vengono erogati direttamente attraverso la stessa fibra per l'eccitazione e la rilevazione del segnale fotoacustico, evitando ingombranti ottiche a spazio libero per l'erogazione della luce.

Con la cavità F–P che misura solo 60 micrometri (1 µm = 10^-6 m) di lunghezza e 125 µm di diametro, il sistema è straordinariamente compatto. Nonostante le sue dimensioni ridotte, raggiunge un limite di rilevamento per il gas acetilene di soli 9 ppb, che è quasi altrettanto sensibile degli spettrometri da laboratorio tradizionali più grandi. La ridotta lunghezza della cavità consente inoltre misurazioni ultraveloci, con tempi di risposta fino a 18 millisecondi, ovvero da 2 a 3 ordini di grandezza più veloci rispetto ai tradizionali sistemi di spettroscopia fotoacustica.

I ricercatori hanno monitorato con successo le concentrazioni di anidride carbonica (CO₂) in tempo reale nel gas in flusso, hanno rilevato la fermentazione in soluzioni di lievito con volumi di campione fino a 100 nanolitri e hanno monitorato i livelli di CO₂ disciolta nei vasi sanguigni del ratto in vivo inserendo il FPAS nella vena della coda tramite una siringa. «Lo spettrometro ha misurato efficacemente i livelli di CO₂ in condizioni ipossiche (basso ossigeno) e ipercapniche (alto contenuto di CO₂), evidenziando il suo potenziale per il monitoraggio dei gas ematici intravascolari in tempo reale senza la necessità di raccogliere campioni di sangue», spiega il professore associato Jun Ma (3) della Jinan University.

Inoltre, la fibra ottica può essere facilmente collegata a una sorgente laser a feedback distribuito a basso costo e integrata con le reti in fibra ottica esistenti, rendendo il sistema una soluzione economica, compatta e flessibile per la spettroscopia.

Grazie alle sue dimensioni ridotte, all'elevata sensibilità e al basso volume di campione richiesto, lo spettrometro miniaturizzato proposto offre precisione a livello di laboratorio in un formato di sonda su microscala, con potenziale per applicazioni come il monitoraggio continuo dei gas ematici intravascolari e la valutazione sanitaria minimamente invasiva delle batterie agli ioni di litio e rilevamento remoto di fughe di gas esplosivo in spazi estremamente ristretti.

Riferimenti:

(1) Microscale fiber photoacoustic spectroscopy for in situ and real-time trace gas sensing

(2) Bai-Ou Guan

(3) Jun Ma

Descrizione foto: Lo spettrometro fotoacustico in fibra consente il monitoraggio continuo del gas intravascolare. - Credit: Jun Ma (Jinan University).

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Miniaturized all-fiber photoacoustic spectrometer for intravascular gas detection