新技术可以立即识别出空气中的化学物质-低至十亿分之几

拉曼激光照射在特殊的芯片上，该芯片可以捕获气体并放大激光信号，从而可以进行快速分析。

新加坡南洋理工大学（NTU新加坡）的科学家已经开发出一种能够立即识别各种空气中的气体和化学物质的设备。

新的原型设备是便携式的，适合于机构迅速部署以识别空气传播的危害，例如来自微小气体分子（如二氧化硫）的空气传播危害。它还可以识别已知对人体健康有害的较大化合物分子，例如苯。

它可以提供实时的空气质量监测，例如在薄雾爆发期间，并可以帮助您检测气体泄漏和工业空气污染。

这项新技术是由物理和数学科学学院的副教授凌兴义领导的研究小组开发的，上个月在科学期刊ACS Nano上报道了这项新技术。

当前识别空气中气体的方法使用称为气相色谱质谱法（GC-MS）的实验室技术，该技术可靠，但需要乏味的样品收集，并且需要花费几个小时到几天才能从空气样品中获得结果。

紧急情况要求对潜在的空气污染进行快速而持续的分析，例如自然灾害，化学物质泄漏或有毒废物的非法倾倒之后，​​以便紧急响应人员可以采取适当的措施。

凌兴义副教授（右）与博士学位学生Phan Quang Gia Chuong（左）操作气体分析仪激光设备，该设备可以立即检测气体和空气中的化学物质。

新设备使用由特殊的多孔金属纳米材料制成的小补丁来首先捕获气体分子。当从几米远的地方照射激光时，光与气体分子相互作用，从而发出能量较低的光。分析后，它会以图形图表的形式给出光谱读数。

光谱读数就像“化学指纹”一样，对应于贴片上存在的各种化学物质。整个过程大约需要10秒钟。

将样品中的这些化学指纹与指纹数字图书馆进行对照，以快速确定已检测到的化学物质。

被称为拉曼光谱法，这是一种用于鉴定化学物质的悠久技术。通常，它仅用于固体和液体样品，因为气态化学物质太稀，以至于激光和检测器无法拾取。

为了克服这一局限性，林凌副教授和她的博士获得了博士学位。学生Phan Quang Gia Chuong先生开发了一种特殊的纳米结构，该结构是由高度多孔的合成材料制成的，称为金属有机框架，该结构可以主动吸收空气中的分子并将其捕获到“笼”中。

该纳米结构还包含金属纳米颗粒，该金属纳米颗粒增强了分子周围光的强度。结果是拉曼光谱信号增强了一百万倍，从而可以识别被困分子。

凌副教授说，发明的起源是由新加坡发生的一起事件引发的。据报道，2017年岛上某些地方有强烈的类似煤气味的气味。原因仅在几天后才确定，并且可以追溯到新加坡境外工厂释放的挥发性有机化合物。

他们与她的丈夫，材料研究与工程研究所（IMRE）的项目负责人兼科学家Phang In-Yee博士一起，提出了从远处立即识别气体的想法。

“我们的设备可以远程工作，因此激光摄像机的操作和化学物质分析可以安全地远距离完成。当不知道气体是否对人体健康有害时，该功能特别有用。”南大化学与生物化学系主任Ling副教授解释说。

激光在实验中经过测试，可以在最远10米的范围内工作，并且可以设计成更远的距离。另一种可能的方法是使用芯片捕获气体，然后用激光对其进行分析。

南大副教授凌兴义（左）和博士学位。学生Phan Quang Gia Chuong手持着他们特别设计的可捕获气体分子的芯片。

在实验中，研究小组表明该设备可以识别空气中的分子，例如聚芳烃（PAH），包括萘和苯的衍生物，苯是一种无色的工业空气污染物，已知具有高度致癌性。

它可以检测到大气中十亿分之一（ppb）浓度的多环芳烃，并且可以连续监测大气中不同类型的气体（如二氧化碳（CO2））的浓度，这在许多情况下可能是有用的应用工业环境。

设备中使用的激光的能量强度为50毫瓦，比拉曼光谱仪的其他应用弱7倍以上。通过NTU的创新和企业公司NTUitive，该团队

已申请了一项专利，目前正在将该技术商业化，以用于污染监测，化学灾难响应以及其他工业应用中。 。

参考：“从远处追踪机载分子：三维金属-有机框架-表面增强的拉曼散射平台，用于对峙和实时大气监测”，作者：Gia Chuong Phan-Quang，Ningning Yang，Hiang Kwee Lee，Howard Yi Fan Sim，Charlynn Sher Lin Koh，Ya -高传全，赵才旺，谭咏麟，苗月娥，范玮，刘天喜，在怡彭和兴义岭，2019年9月13日，ACS Nano.DOI：
10.1021 / acsnano.9b06486