Scientifiques de l'Université technologique de Nanyang, Singapour (NTU Singapore) a développé un appareil capable d'identifier instantanément une large gamme de gaz et de produits chimiques en suspension dans l'air.

Le nouveau prototype de dispositif est portable et adapté à un déploiement rapide par les agences pour identifier les dangers aériens, comme de minuscules molécules de gaz comme le dioxyde de soufre. Il peut également identifier des molécules composées plus grosses telles que le benzène, connue pour être nocive pour la santé humaine.

Il peut fournir une surveillance en temps réel de la qualité de l'air, par exemple lors d'épidémies de brume, et aider à la détection des fuites de gaz et de la pollution atmosphérique industrielle.

Développé par une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Ling Xing Yi à l'École des sciences physiques et mathématiques, la nouvelle technologie a été rapportée le mois dernier dans la revue scientifique ACS Nano .

Les méthodes actuelles d'identification des gaz dans l'air utilisent une technique de laboratoire appelée chromatographie en phase gazeuse-spectrométrie de masse (GC-MS), qui est fiable mais nécessite un prélèvement d'échantillons fastidieux et prend entre quelques heures et quelques jours pour obtenir des résultats à partir d'échantillons d'air.

Les scénarios d'urgence nécessitent une analyse rapide et continue de la contamination potentielle de l'air, comme suite à une catastrophe naturelle, déversement de produits chimiques ou déversement illégal de déchets toxiques, afin que les intervenants d'urgence puissent prendre les mesures appropriées.

Comment fonctionne le nouvel appareil

Le nouveau dispositif utilise un petit patch fait d'un nanomatériau poreux et métallique spécial pour piéger d'abord les molécules de gaz. Lorsqu'un laser est braqué dessus à quelques mètres de distance, la lumière interagit avec les molécules de gaz, provoquant l'émission d'une lumière d'une énergie inférieure. Une fois analysé, il donne une lecture spectroscopique sous la forme d'un graphique.

La lecture spectroscopique agit comme une « empreinte chimique » correspondant à divers produits chimiques présents sur le patch. L'ensemble du processus prend environ 10 secondes.

Ces empreintes chimiques de l'échantillon sont référencées par rapport à une bibliothèque numérique d'empreintes digitales pour déterminer rapidement quels produits chimiques ont été détectés.

Connue sous le nom de spectroscopie Raman, il s'agit d'une technique établie de longue date pour identifier les substances chimiques. Typiquement, il n'a été utilisé que sur des échantillons solides et liquides, car les produits chimiques gazeux sont trop dilués pour être détectés par le laser et le détecteur.

Pour surmonter cette limite, Assoc Prof Ling et son doctorat. l'étudiant M. Phan Quang Gia Chuong a développé une nanostructure spéciale faite d'un matériau synthétique hautement poreux connu sous le nom de cadre métal-organique, qui absorbe et piège activement les molécules de l'air dans une « cage ».

Cette nanostructure contient également des nanoparticules métalliques, qui augmentent l'intensité de la lumière entourant les molécules. Le résultat est une amélioration d'un million de fois des signaux de spectroscopie Raman, qui permet l'identification des molécules piégées.

Assoc Prof Ling a déclaré que la genèse de l'invention a été déclenchée par un incident à Singapour, où il y avait des rapports d'une forte odeur de gaz sur certaines parties de l'île en 2017. La cause n'a été déterminée que quelques jours plus tard, et a été attribuée à des composés organiques volatils libérés par des usines en dehors de Singapour.

Avec son mari, Dr Phang In-Yee, chef de projet et scientifique à l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux (IMRE), ils ont conceptualisé l'idée d'identifier les gaz instantanément à distance.

"Notre appareil peut fonctionner à distance, ainsi le fonctionnement de la caméra laser et l'analyse des produits chimiques peuvent être effectués en toute sécurité à distance. Ceci est particulièrement utile lorsqu'on ne sait pas si les gaz sont dangereux pour la santé humaine, " explique Assoc Prof Ling, Chef de la division de chimie et de chimie biologique à NTU.

Le laser a été testé dans des expériences pour fonctionner jusqu'à 10 mètres de distance et peut être conçu pour atteindre de plus grandes distances. Une autre méthode possible consiste à utiliser la puce pour capturer les gaz, qui est ensuite analysé avec un laser.

Résultat ultra-sensible et précis

Dans les expériences, l'équipe a montré que l'appareil peut identifier des molécules en suspension dans l'air telles que les hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), y compris le naphtalène et les dérivés du benzène, une famille de polluants atmosphériques industriels incolores connus pour être hautement cancérigènes.

Il peut détecter les HAP à des concentrations en parties par milliard (ppb) dans l'atmosphère et effectuer une surveillance continue de la concentration des différents types de gaz comme le dioxyde de carbone (CO 2 ) dans l'atmosphère, ce qui pourrait être une application utile dans de nombreux environnements industriels.

Le laser utilisé dans l'appareil a une intensité énergétique de 50 miliwatts, plus de sept fois plus faible que dans d'autres applications de la spectroscopie Raman. Cela rend le système plus sûr à utiliser et plus économe en énergie.

Grâce à NTUitive, La société d'innovation et d'entreprise de NTU, l'équipe a déposé un brevet et commercialise maintenant la technologie pour une utilisation dans la surveillance de la pollution, intervention en cas de catastrophe chimique, ainsi que d'autres applications industrielles.