Un innovativo spettrometro a fibra ottica tutto in uno, compatto su microscala, si distingue per le sue prestazioni paragonabili ai sistemi tradizionali da laboratorio. Questi sistemi miniaturizzati di spettroscopia sono fondamentali per il monitoraggio ambientale, il controllo dei processi industriali e la diagnostica biomedica, in grado di rilevare concentrazioni traccia a livelli di parti per miliardo (ppb). Tuttavia, i sistemi di spettroscopia da banco tradizionali sono spesso troppo ingombranti e complessi per essere utilizzati in spazi ristretti.
Innovazione nel campo della spettroscopia
In uno studio recente, ricercatori cinesi hanno presentato uno spettrometro fotoacustico in fibra ottica miniaturizzato (FPAS) in grado di rilevare gas traccia a livelli di ppb e analizzare campioni su scala nanolitrica con tempi di risposta millisecondo. Questo dispositivo si rivela particolarmente adatto per l’analisi continua dei gas intravascolari, come nel caso della diagnostica intravascolare.
Obiettivo e risultati dello studio
Il Professor Bai-Ou Guan dell’Università di Jinan, autore corrispondente dello studio, spiega che l’obiettivo era ridurre le dimensioni dello spettrometro fotoacustico preservandone le alte prestazioni di rilevamento, soprattutto per applicazioni come la diagnosi intravascolare e il monitoraggio delle batterie al litio.
Approccio innovativo
A differenza dei sistemi tradizionali di spettroscopia laser, il FPAS proposto sfrutta la spettroscopia fotoacustica (PAS), che rileva onde sonore generate dalle molecole di gas eccitate dalla luce modulata. Questo approccio innovativo integra una membrana elastica modellata al laser in un’unica punta di fibra ottica con una sezione di capillare di silice per costruire una cavità Fabry Perot (FP) su microscala. La cavità di silice funge da confine acustico rigido, amplificando le onde acustiche generate dalle molecole di gas verso la membrana flessibile, compensando la perdita di sensibilità e producendo una risposta indipendente dalle dimensioni.
Alte prestazioni in dimensioni ridotte
Il sistema, nonostante le sue dimensioni ridotte con una cavità FP di soli 60 micrometri di lunghezza e 125 micrometri di diametro, raggiunge un limite di rilevamento per il gas acetilene di 9 ppb, quasi paragonabile ai tradizionali spettrometri da laboratorio. Inoltre, offre tempi di risposta ultraveloci fino a 18 millisecondi, molto più rapidi rispetto ai sistemi tradizionali di spettroscopia fotoacustica.
Applicazioni e risultati dei test
I ricercatori hanno testato con successo il sistema monitorando le concentrazioni di biossido di carbonio (CO2) in tempo reale in gas in movimento, rilevando la fermentazione in soluzioni di lievito con volumi di campione fino a 100 nanolitri e tracciando i livelli di CO2 disciolto nei vasi sanguigni dei ratti in vivo inserendo il FPAS nella vena caudale tramite una siringa.
Potenziale e vantaggi del sistema
Il Professore Associato Jun Ma dell’Università di Jinan sottolinea che lo spettrometro ha dimostrato efficacemente la capacità di misurare i livelli di CO2 in condizioni ipossiche e ipercapniche, evidenziando il suo potenziale per il monitoraggio in tempo reale dei gas sanguigni intravascolari senza prelievo di campioni di sangue.
Grazie alla sua connettività con una sorgente laser a retroazione distribuita a basso costo e all’integrazione con le reti di fibra ottica esistenti, il sistema proposto si presenta come una soluzione economica, compatta e flessibile per la spettroscopia. Con le sue dimensioni ridotte, l’alta sensibilità e il basso requisito di volume del campione, lo spettrometro miniaturizzato offre precisione di livello da laboratorio in un formato di sonda su microscala, con potenziale per applicazioni come il monitoraggio continuo dei gas sanguigni intravascolari, la valutazione della salute delle batterie al litio in modo minimamente invasivo e il rilevamento remoto delle perdite di gas esplosivo in spazi estremamente ristretti.
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