Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Công nghệ mới phát hiện ngay hóa chất trong không khí (23/10/2019)

Các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Công nghệ Nanyang, Singapo đã chế tạo được một thiết bị có khả năng xác định ngay lập tức nhiều loại khí và hóa chất trong không khí.

Tia laser Raman chiếu trên con chip đặc biệt và khuếch đại tín hiệu, cho phép phân tích nhanh hóa chất trong không khí. Ảnh: NTU Singapore.

Mẫu thiết bị mới cầm tay này phù hợp để xác định nhanh những mối nguy hiểm trong không khí, như từ các phân tử khí nhỏ như sunfua dioxit. Thiết bị cũng có thể phát hiện các phân tử hợp chất cỡ lớn như benzen, được biết gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Ngoài ra, công nghệ mới còn theo dõi chất lượng không khí theo thời gian thực như trong thời kỳ bùng phát khói mù và hỗ trợ phát hiện rò rỉ khí và ô nhiễm không khí do sản xuất công nghiệp.

Các phương pháp phát hiện khí trong không khí hiện nay sử dụng kỹ thuật phòng thí nghiệm được gọi là Sắc ký khí - Khối phổ (GC-MS), đáng tin cậy nhưng đòi hỏi phải lấy mẫu lâu từ vài giờ đến vài ngày để có được kết quả từ các mẫu khí. Trong khi đó, các tình huống khẩn cấp đòi hỏi phân tích nhanh và liên tục ô nhiễm không khí tiềm ẩn, như sau thảm họa tự nhiên, tràn hóa chất hoặc đổ chất thải nguy hại bất hợp pháp để có thể ứng phó nhanh và đưa ra hành động phù hợp.

Hoạt động của thiết bị mới

Thiết bị mới sử dụng một miếng dán nhỏ làm từ vật liệu nano kim loại xốp và đặc biệt để bẫy các phân tử khí đầu tiên. Khi tia laser chiếu vào nó từ cách đó vài mét, ánh sáng sẽ tương tác với các phân tử khí, làm cho ánh sáng năng lượng thấp phát ra. Khi phân tích, sẽ xác định được dữ liệu quang phổ dưới dạng biểu đồi.

Dữ liệu quang phổ hoạt động như "dấu vân tay hóa học" tương ứng với các hóa chất khác nhau có trên miếng dán. Toàn bộ quá trình thực hiện mất khoảng 10 giây. Các dấu vân tay hóa học từ mẫu được tham chiếu với một thư viện số về dấu vân tay để nhanh chóng xác định hóa chất nào được phát hiện. Kỹ thuật này là quang phổ Raman từ lâu đã được sử dụng để xác định các hóa chất. Thông thường, kỹ thuật chỉ được sử dụng trên các mẫu rắn và lỏng, vì các hóa chất dạng khí quá loãng để laser và máy dò có thể phát hiện.

Để khắc phục hạn chế này, nhóm nghiên cứu của PGS. Ling Xing Yi đã phát triển một cấu trúc nano đặc biệt từ vật liệu tổng hợp có độ xốp cao gọi là khung hữu cơ kim loại, hấp thụ mạnh và bẫy các phân tử từ không khí vào trong “lồng”.

Cấu trúc nano này cũng chứa các hạt nano kim loại, giúp tăng cường độ ánh sáng xung quanh các phân tử. Kết quả dẫn đến sự gia tăng hàng triệu lần các tín hiệu quang phổ Raman, cho phép xác định các phân tử bị mắc kẹt.

PGS. Ling cho biết phát minh này bắt nguồn từ một sự cố ở Singapo, nơi công bố các báo cáo về mùi giống như khí gas mạnh tại một số nơi của hòn đảo này vào năm 2017. Nguyên nhân chỉ được xác định vài ngày sau đó, là do các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được giải phóng bởi các nhà máy nằm bên ngoài Singapo.

Cùng với TS. Phang In-Yee tại Viện Nghiên cứu vật liệu và kỹ thuật (IMRE), các nghiên cứu đã khái niệm hóa ý tưởng dò khí ngay lập tức từ xa.

Tia laser đã được thử nghiệm trong các thí nghiệm để hoạt động cách xa tới 10m và có thể được thiết kế để đạt khoảng cách xa hơn. Phương pháp khả thi khác là sử dụng chip để thu khí và sau đó phân tích bằng laser.

Kết quả siêu nhạy và chính xác

Trong các thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chứng minh thiết bị có khả năng xác định các phân tử trong không khí như hydrocacbon thơm đa vòng (PAH), bao gồm naphthalene và các dẫn xuất của benzen, một nhóm các chất ô nhiễm không khí không màu từ sản xuất công nghiệp được biết với khả năng gây ung thư cao.

Thiết bị có thể phát hiện PAH ở nồng độ phần tỷ (ppb) trong khí quyển cũng như giám sát liên tục nồng độ của các loại khí khác như CO2 trong khí quyển, có nhiều ứng dụng hữu ích trong nhiều môi trường công nghiệp.

Tia laser được sử dụng trong thiết bị có cường độ năng lượng 50 MW, yếu hơn 7 lần so với các ứng dụng khác của quang phổ Raman. Vì thế, hệ thống hoạt động an toàn và kiệm năng lượng hơn.

Thông qua công ty đổi mới sáng tạo NTUitive của trường Đại học Công nghệ Nanyang, nhóm nghiên cứu đã xin cấp sáng chế và hiện đang thương mại hóa công nghệ này để sử dụng trong giám sát ô nhiễm, ứng phó thảm họa hóa học, cũng như các ứng dụng công nghiệp khác.

Nguồn: N.P.D (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 22/10/2019