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

कल्पना कीजिए कि आप एक भीड़भाड़ वाले कमरे में सुनने की कोशिश कर रहे हैं जहाँ चार अलग-अलग लोग एक साथ चार अलग-अलग रहस्य चिल्ला रहे हैं। यदि आप केवल दीवार से अपना एक कान लगा दें, तो आपको शोर का एक अस्त-व्यस्त मिश्रण सुनाई देगा। यह वैज्ञानिकों के लिए हमारे आसपास की हवा की निगरानी करने का दैनिक संघर्ष है, विशेष रूप से तेल और गैस क्षेत्रों जैसे कठिन स्थानों में। उन्हें यह जानने की आवश्यकता होती है कि क्या मीथेन या हाइड्रोजन सल्फाइड जैसी खतरनाक गैसें लीक हो रही हैं, या क्या हवा में नमी बहुत अधिक हो रही है। पारंपरिक सेंसर चार अलग-अलग कानों की तरह हैं, जिनमें से प्रत्येक को अपने स्वयं के स्थान की आवश्यकता होती है, जो कि बोझिल हो सकता है और संकेतों को आपस में मिलाने के प्रति संवेदनशील हो सकता है।

यहाँ प्रकाश और "सरफेस प्लास्मोन रेजोनेंस" (SPR) की दुनिया में प्रवेश होता है। कल्पना करें कि प्रकाश एक फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से एक सर्फर की तरह लहर की सवारी कर रहा है। सामान्यतः, लहर केबल के अंदर ही रहती है। लेकिन यदि आप केबल के किनारे से थोड़ा सा हिस्सा छील दें और उसे सोने जैसी किसी विशेष धातु से ढंक दें, तो प्रकाश ठीक इतना "लीक" हो सकता है कि वह धातु को छू सके। यह एक जादुई लहर पैदा करता है जिसे "सरफेस प्लास्मोन" कहा जाता है। जब कोई विशिष्ट गैस इस धातु की लहर को छूती है, तो वह प्रकाश की तरंग की लय को बदल देती है, जिससे प्रकाश का रंग बदल जाता है। यह एक छोटे, अदृश्य ट्यूनिंग फोर्क (स्वर यंत्र) की तरह है जिसकी पिच उस क्षण बदल जाती है जब एक विशिष्ट गैस का अणु उससे टकराता है। बड़ा सवाल जो वैज्ञानिक पूछ रहे थे वह यह है: क्या हम एक ही नन्हा सेंसर बना सकते हैं जो एक ही समय में चार अलग-अलग "आवाजों" (गैसों) को बिना भ्रमित हुए सुन सके?

पूर्तपूर्व पेट्रोलियम विश्वविद्यालय के वेइकियांग वांग और उनकी टीम तथा उनके सहयोगियों द्वारा लिखे गए इस शोध पत्र में कहा गया है, "हाँ, हम कर सकते हैं।" उन्होंने एक चतुर, चार-पक्षीय ऑप्टिकल फाइबर सेंसर डिजाइन किया है जो एक चार-चैनल रेडियो की तरह काम करता है, जो मीथेन, सापेक्ष आर्द्रता (रिलेटिव ह्यूमिडिटी), हाइड्रोजन और हाइड्रोजन सल्फाइड को एक साथ ट्यून करता है। चार अलग-अलग उपकरणों का उपयोग करने के बजाय, उन्होंने "कोरलेस" ऑप्टिकल फाइबर (एक फाइबर जिसमें कोई केंद्रीय कोर नहीं होता, केवल एक ठोस कांच की छड़ होती है) का एक टुकड़ा लिया और उसके चार सपाट पक्षों को छीला, जैसे कि एक गोल लट्ठे को चौकोर आकार में काटा गया हो। उन्होंने प्रत्येक सपाट पक्ष पर सोने की परत चढ़ाई और फिर प्रत्येक सोने वाले पक्ष को एक अलग "गंध पकड़ने वाले" पदार्थ से ढक दिया। एक पक्ष मीथेन को पसंद करता है, दूसरा जल वाष्प को, तीसरा हाइड्रोजन की तलाश करता है, और चौथा हाइड्रोजन सल्फाइड को सूंघता है।

शोधकर्ताओं ने केवल इसे बनाया ही नहीं; उन्होंने यह देखने के लिए विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाए कि यह कैसे व्यवहार करेगा। उन्होंने पाया कि जब मीथेन का स्तर 0% से 2% के बीच बढ़ता है, तो मीथेन-संवेदनशील पक्ष पर प्रकाश का रंग प्रति प्रतिशत गैस के लिए औसतन -76 नैनोमीटर शिफ्ट होता है। आर्द्रता के लिए, यह प्रति प्रतिशत सापेक्ष आर्द्रता (30% से 70% के बीच) के लिए -2.2 नैनोमीटर का बदलाव है। हाइड्रोजन डिटेक्टर सबसे संवेदनशील है, जो प्रति प्रतिशत हाइड्रोजन (0% से 2%) के लिए -153 नैनोमीटर शिफ्ट होता है, जबकि हाइड्रोजन सल्फाइड डिटेक्टर प्रति भाग प्रति मिलियन (ppm) गैस (80 ppm तक) के लिए 15 नैनोमीटर शिफ्ट होता है।

जादू तब होता है जब सेंसर एक "मैट्रिक्स डीमॉड्यूलेशन" तकनीक का उपयोग करता है। चूंकि प्रत्येक चार पक्ष सभी चार गैसों के प्रति थोड़ा अलग प्रतिक्रिया देते हैं, इसलिए एक कंप्यूटर चारों प्रकाश चोटियों (पीक्स) के संयुक्त बदलावों को देख सकता है और गणितीय रूप से उस उलझन को सुलझा सकता है ताकि यह पता लगाया जा सके कि वास्तव में प्रत्येक गैस की कितनी मात्रा मौजूद है। शोध पत्र यह भी दिखाता है कि भले ही सेंसर पूरी तरह से सटीक न बनाया गया हो (स्लाइस के आकार या सोने की मोटाई में मामूली त्रुटियों के साथ), परिणाम विश्वसनीय रहते हैं, जिसमें संवेदनशीलता का उतार-चढ़ाव 7% से कम रहता है। हालांकि यह पत्र नोट करता है कि यह एक डिजाइन और सिमुलेशन अध्ययन है, यह सुझाव देता है कि यह एकल, एकीकृत उपकरण गैस सेंसिंग की "क्रॉस-टॉक" की समस्या को हल कर सकता है, जो अलग-अलग सेंसरों के जंगल की आवश्यकता के बिना तेल क्षेत्रों और पर्यावरण को सुरक्षित रखने के लिए एक उच्च-क्षमता वाला उपकरण प्रदान करता है।