Four-parameter gas optical fiber sensor based on surface plasmon resonance (SPR) for simultaneous detection of methane, relative humidity, hydrogen, and hydrogen sulfide

تخيل أنك تحاول الاستماع إلى غرفة مزدحمة حيث يصرخ أربعة أشخاص مختلفين بأربعة أسرار مختلفة في آن واحد. إذا وضعت أذنًا واحدة فقط على الحائط، فستسمع ضجيجًا مختلطًا وفوضويًا. هذا هو الصراع اليومي للعلماء الذين يحاولون مراقبة الهواء من حولنا، خاصة في الأماكن الصعبة مثل حقول النفط والغاز. إنهم بحاجة لمعرفة ما إذا كانت الغازات الخطرة مثل الميثان أو كبريتيد الهيدروجين تتسرب، أو ما إذا كان الهواء يصبح رطبًا جدًا. المستشعرات التقليدية تشبه امتلاك أربع آذان منفصلة، كل منها يحتاج إلى مساحته الخاصة، وهو أمر قد يكون خرقًا وعرضة لخلط الإشارات.

ادخل إلى عالم الضوء و"رنين البلازمون السطحي" (SPR). فكر في الضوء وهو ينتقل عبر كابل الألياف الضوئية مثل راكب أمواج يركب موجة. عادةً، تظل الموجة داخل الكابل. ولكن إذا قمت بحفر جزء صغير من جانب الكابل وطلائه بمعدن خاص مثل الذهب، يمكن للضوء أن "يتسرب" للخارج بقدر كافٍ ليلمس المعدن. هذا يخلق تأثير تموج سحري يسمى البلازمون السطحي. عندما يلمس غاز معين هذا التموج المعدني، فإنه يغير إيقاع الموجة، مما يؤدي إلى إزاحة لون الضوء. إنه يشبه شوكة رنانة صغيرة غير مرئية تغير حدة صوتها في اللحظة التي تصطدم فيها جزيئة غاز محددة بها. السؤال الكبير الذي طرحه العلماء هو: هل يمكننا بناء مستشعر واحد صغير يمكنه سماع أربعة "أصوات" مختلفة (غازات) في نفس الوقت دون أن تختلط ببعضها البعض؟

تقول هذه الورقة البحثية التي كتبها وييتشيانغ وانغ وفريقه من جامعة نيو إيست بتروليوم بالتعاون مع شركائهم: "نعم، يمكننا ذلك". لقد صمموا مستشعرًا ذكيًا من الألياف الضوئية رباعي الجوانب يعمل مثل راديو رباعي القنوات، يضبط موجاته على الميثان، والرطوبة النسبية، والهيدروجين، وكبريتيد الهيدروجين جميعها في وقت واحد. وبدلاً من استخدام أربعة أجهزة منفصلة، أخذوا قطعة واحدة من الألياف الضوئية "عديمة اللب" (ليف ليس له لب مركزي، بل مجرد قضيب زجاجي صلب) وقاموا بحفر أربعة جوانب مسطحة، مثل تقطيع جذع شجرة مستدير إلى شكل مربع. ثم طلقوا كل جانب مسطح بالذهب، وغطوا كل جانب ذهبي بمادة مختلفة "لاصطياد الروائح". أحد الجوانب يعشق الميثان، والآخر يعشق بخار الماء، والثالث يصطاد الهيدروجين، والرابع يشم كبريتيد الهيدروجين.

لم يكتف الباحثون ببناء هذا المستشعر فحسب؛ بل أجروا عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة لمعرفة كيف سيتصرف. ووجدوا أنه عندما ترتفع مستويات الميثان بين 0% و2%، فإن الضوء في الجانب الحساس للميثان يزيح لونه بمتوسط -76 نانومتر لكل في المئة من الغاز. وبالنسبة للرطوبة، فإن الإزاحة هي -2.2 نانومتر لكل في المئة من الرطوبة النسبية (بين 30% و70%). أما كاشف الهيدروجين فهو الأكثر حساسية، حيث يزيح -153 نانومتر لكل في المئة من الهيدروجين (0% إلى 2%)، بينما يزيح كاشف كبريتيد الهيدروجين 15 نانومتر لكل جزء في المليون (ppm) من الغاز (حتى 80 جزء في المليون).

يحدث السحر لأن المستشعر يستخدم خدعة "فك التشفير بالمصفوفة". نظرًا لأن كل جانب من الجوانب الأربعة يتفاعل بشكل مختلف قليلاً مع جميع الغازات الأربعة، يمكن للحاسوب النظر إلى الإزاحات المركبة لجميع قمم الضوء الأربعة وفك تشابك الفوضى رياضيًا لمعرفة مقدار وجود كل غاز بالضبط. تظهر الورقة أنه حتى لو لم يتم بناء المستشعر بشكل مثالي (مع وجود أخطاء طفيفة في حجم الشرائح أو سمك الذهب)، فإن النتائج تظل موثوقة، مع تقلبات في الحساسية تقل عن 7%. وبينما تشير الورقة إلى أن هذه دراسة تصميم ومحاكاة، إلا أنها تقترح أن هذا الجهاز المتكامل الواحد يمكن أن يحل مشكلة التداخل المعقدة في استشعار الغاز، مما يوفر أداة ذات إمكانات عالية للحفاظ على سلامة حقول النفط والبيئة دون الحاجة إلى غابة من المستشعرات المنفصلة.