便攜式氣體檢測(cè)縮小到新的尺寸

用于檢測(cè)有毒氣體的傳感器現(xiàn)在更小，更快且更可靠。它的性能使其可以集成到一個(gè)高度敏感的便攜式系統(tǒng)中，用于檢測(cè)化學(xué)武器。更好的微型傳感器還可以快速檢測(cè)出現(xiàn)的空氣中的毒素，提供關(guān)鍵信息，幫助應(yīng)急人員安全有效地應(yīng)對(duì)事故。

化學(xué)鑒定通常涉及在化學(xué)品釋放現(xiàn)場(chǎng)收集樣品并將其帶回充滿(mǎn)由受過(guò)培訓(xùn)的人員操作的設(shè)備的房間。機(jī)器篩選各種氣體樣品并稱(chēng)量分子以確定它們的身份。雖然這些儀器的便攜式版本(稱(chēng)為質(zhì)譜儀)已經(jīng)商用，但它們的靈敏度低于基于實(shí)驗(yàn)室的同類(lèi)產(chǎn)品。

20多年來(lái)，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員一直致力于避免便攜式氣體檢測(cè)的性能損失。他們的傳感器采用了一種稱(chēng)為氣相色譜的技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)GC。

來(lái)自桑迪亞的公文包大小的儀器在波士頓地鐵中持續(xù)嗅探神經(jīng)和水皰劑22個(gè)月而沒(méi)有誤報(bào)。關(guān)于AA電池大小的傳感器可以檢測(cè)到汗水中的化合物，這些化合物是走私人類(lèi)的信號(hào)。手持式氣體傳感器系統(tǒng)還可以通過(guò)識(shí)別植物在受到干旱或疾病壓力時(shí)釋放的氣體來(lái)監(jiān)測(cè)作物健康狀況。

現(xiàn)在，Sandia的分析化學(xué)家Joshua Whiting及其同事將傳感器縮小到大約一美元鈔票的大小，同時(shí)也提高了傳感器的性能。該系統(tǒng)現(xiàn)在將氣體樣品分離兩次，但整個(gè)分析在不到10秒的時(shí)間內(nèi)完成。額外的分離步驟減少了化學(xué)武器釋放期間也可能在空氣中的溶劑，清潔劑和柴油燃料的干擾。較少的干擾也意味著檢測(cè)到的目標(biāo)化合物的信號(hào)更可靠。“這個(gè)多維GC系統(tǒng)的誤報(bào)率甚至比以前更低，”Whiting說(shuō)。

在最近發(fā)表在芯片實(shí)驗(yàn)室的一篇論文中，研究人員使用傳感器在7秒內(nèi)識(shí)別出29種化合物混合物的每種成分。該系統(tǒng)還可以在連續(xù)操作40天內(nèi)可靠地檢測(cè)到模擬芥子氣和膦酸鹽基神經(jīng)毒劑的化合物。

“通過(guò)快速分析，操作員可以及時(shí)了解有毒氣體的暴露情況，以便人們采取個(gè)人預(yù)防措施，疏散一個(gè)區(qū)域并減少潛在的損害，”Whiting說(shuō)?？焖俜治龅募记墒莻鞲衅髦械膲毫﹂y控制氣體流過(guò)每個(gè)分離步驟的速度。用壓力控制這種流量意味著傳感器比類(lèi)似的溫度控制系統(tǒng)使用更少的能量。

能源效率與日益小規(guī)模的可靠檢測(cè)相結(jié)合，使研究人員進(jìn)入項(xiàng)目的下一階段：建立一個(gè)完全便攜的分析系統(tǒng)，集成化學(xué)分離，選擇性檢測(cè)和計(jì)算機(jī)化數(shù)據(jù)分析，其性能或更好比實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。

微氣體傳感研究的大部分資金來(lái)自國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)和國(guó)防威脅降低機(jī)構(gòu)(DTRA)，以及桑迪亞實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究和開(kāi)發(fā)計(jì)劃的一些資金。研究人員現(xiàn)在正在尋求資金來(lái)建立集成系統(tǒng)，并納入可與實(shí)驗(yàn)室規(guī)模設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)的其他功能。