Nieuwe technologie zou individuen meer controle kunnen geven over hun eigen blootstelling aan schadelijke gassen

In een steeds meer gezondheidsbewuste samenleving zijn data een hot commodity. Het bijhouden van het aantal stappen met een ouderwetse stappenteller is veranderd in het monitoren van de hartslag, slaapcycli en het zuurstofniveau in het bloed met draagbare fitnesstrackers, een markt die de afgelopen jaren explosief is gegroeid. Maar één cruciaal aspect van gezondheidsmonitoring moet nog mainstream worden, omdat continue luchtkwaliteitsgegevens momenteel gebonden zijn aan ruimtes en niet aan mensen.

Natuurkundigen van het ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems werken aan het aanpakken van de uitdaging van de toegang van consumenten tot luchtkwaliteitsgegevens met de ontwikkeling van een draagbare infrarood microspectrometer die op een dag zou kunnen worden geïntegreerd in draagbare apparaten om meerdere toxische en schadelijke stoffen te monitoren. broeikasgassen, waardoor individuen meer controle krijgen over hun eigen blootstelling aan schadelijke gassen, zodat ze beter geïnformeerde beslissingen kunnen nemen over hun gezondheid.

Deze nieuwe technologie, ontwikkeld door het team van de Universiteit van Melbourne van het Centrum en gepubliceerd in Microsystemen en nano-engineering, maakt gebruik van een machine learning-algoritme en metasurface spectrale filterarrays om een ​​microspectrometer (MIMM) te creëren die de unieke infraroodsignatuur van meerdere gassen detecteert met behulp van één sensor. Het prototype heeft momenteel de grootte van een luciferdoosje, maar kan nog veel verder worden geminiaturiseerd.

Traditionele infraroodspectrometers zijn uitzonderlijke gasdetectoren, maar zijn omvangrijke apparatuur die doorgaans alleen in laboratoria wordt aangetroffen. De huidige draagbare multigasdetectoren die in huizen en kantoorgebouwen kunnen worden gekocht en gebruikt, zijn gemaakt van meerdere bulksensorsystemen in één behuizing, waardoor de omvang en het gewicht van het apparaat toenemen en de bruikbaarheid ervan wordt beperkt.

Ze gebruiken ook chemiweerstanden in plaats van spectroscopie, wat inferieure resultaten oplevert en hun levensduur beperkt. Er is geen weg vooruit voor de miniaturisering van een van deze twee apparaten met behulp van traditionele optische componenten en daarom zal de huidige technologie nooit draagbaar zijn of geïntegreerd in het internet der dingen.

Een metasurface-filter geïntegreerd met een kant-en-klare IR-detector pakt daarentegen de problemen van miniaturisatie aan door sensoren te maken van materialen die slechts nanometer dik zijn. In dit geval creëerden TMOS-onderzoekers een metasurface spectrale filterarray om een ​​sensor te creëren met het potentieel om alle schadelijke gassen te detecteren. De filterarray bestaat uit metalen nanostructuren bovenop een siliciumsubstraat.

Door de periodiciteit van de nanostructuren te variëren, kunnen de spectrale kenmerken van deze filters specifiek worden afgestemd op de betreffende golflengte. In deze studie hebben ze de effectiviteit ervan aangetoond met kooldioxide, methaan, ammoniak en methylethylketon.

Hoofdauteur Jiajun Meng zegt: “De microspectrometer is een metasurface-filterarray geïntegreerd met een commerciële IR-camera die vrij is van verbruiksartikelen, compact (~ 1 cm³) en lichtgewicht (~1 g). Het machine learning-algoritme is getraind om de gegevens van de microspectrometer te analyseren en de aanwezige gassen te voorspellen.”

TMOS-hoofdonderzoeker Kenneth Crozier zegt: “De volgende stappen in het onderzoek zijn het vergroten van de gevoeligheid van het apparaat en het robuuster maken van het platform. We zijn enthousiast over deze technologie omdat deze, met wat meer ontwikkeling, kan worden toegepast op veel andere chemische detectieproblemen (bijv. vaste stoffen en vloeistoffen).”