Differential Photoacoustic CO 2 Gas Detection with Two Commercial MEMS Microphones

हवा में अदृश्य गैसों का पता लगाना एक ऐसा कार्य बन गया है जो जलवायु परिवर्तन की निगरानी करने से लेकर औद्योगिक कार्यस्थलों में सुरक्षा सुनिश्चित करने तक, हर चीज़ के लिए आवश्यक है। वैज्ञानिक इन सूक्ष्म पदार्थों की पहचान करने के लिए लंबे समय से प्रकाश विधियों पर भरोसा करते रहे हैं, जिसमें विशिष्ट अणुओं द्वारा छोड़े गए अनूठे "फिंगरप्रिंट्स" (पहचान) को खोजने के लिए प्रकाश का उपयोग किया जाता है। एक विशेष रूप से उत्कृष्ट दृष्टिकोण, जिसे फोटोअकॉस्टिक स्पेक्ट्रोस्कोपी (photoacoustic spectroscopy) के रूप में जाना जाता है, प्रकाश को ध्वनि में बदल देता है। इसमें यह मापने के बजाय कि एक गैस कितनी मात्रा में प्रकाश को अवशोषित करती है, यह तकनीक उन सूक्ष्म ध्वनि तरंगों को मापती है जो गैस उस प्रकाश को अवशोषित करने पर उत्पन्न करती है। जब प्रकाश की एक किरण को एक ऐसे विशिष्ट रंग पर ट्यून किया जाता है जिसे गैस "पीना" पसंद करती है, और उस किरण को तेजी से चालू और बंद किया जाता है, तो गैस लयबद्ध तरीके से गर्म और ठंडी होती है। यह लयबद्ध तापन गैस को फैलने और सिकुड़ने का कारण बनता है, जिससे एक मंद दबाव तरंग—एक ध्वनि—पैदा होती है, जिसे एक संवेदनशील माइक्रोफ़ोन द्वारा सुना जा सकता है। शोधकर्ताओं के लिए चुनौती हमेशा इन उपकरणों को इतना छोटा बनाने की रही है कि वे पोर्टेबल हो सकें, जबकि उन्हें पृष्ठभूमि के शोर के बीच एक एकल गैस अणु की फुसफुसाहट को सुनने के लिए पर्याप्त संवेदनशील बनाए रखा जा सके।

हार्विन इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी और इंस्ट्रूमेंटेशन टेक्नोलॉजी एंड इकोनॉमी इंस्टीट्यूट के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका विकसित किया है, जिससे एक कॉम्पैक्ट सिस्टम बनाया गया है जो कार्बन डाइऑक्साइड को उल्लेखनीय स्पष्टता के साथ सुन सकता है। उनका समाधान ध्वनि कक्षों (sound chambers) की एक चतुर व्यवस्था और दो मानक माइक्रोफ़ोनों का एक टीम के रूप में मिलकर काम करना है। दो समानांतर सुरंगों, या ध्वनिक चैनलों (acoustic channels), की कल्पना करें जो दोनों सिरों पर बड़े, शांत कमरों द्वारा जुड़े हुए हैं जिन्हें बफर वॉल्यूम (buffer volumes) कहा जाता है। जब एक लेजर बीम केवल एक सुरंग के माध्यम से चमकती है, तो उसके अंदर की गैस गर्म होती है और एक ध्वनि तरंग पैदा करती है। चूंकि दोनों सुरंगें पूरी तरह से मेल खाती हैं और जुड़ी हुई हैं, इसलिए पहली सुरंग में ध्वनि दूसरी सुरंग में हवा को विपरीत दिशा में धकेलती है। यह एक ऐसी स्थिति बनाता है जहाँ एक चैनल में ध्वनि दूसरे चैनल के ठीक विपरीत होती है। प्रत्येक सुरंग में एक माइक्रोफ़ोन रखकर और एक सिग्नल को दूसरे से घटाकर, शोधकर्ता उस सभी यादृच्छिक, सामान्य शोर को रद्द कर सकते हैं जो दोनों माइक्रोफ़ोन को समान रूप से प्रभावित करता है, जबकि गैस की विशिष्ट ध्वनि जुड़ जाती है और अधिक तेज़ हो जाती है।

शोधकर्ताओं ने इस "डिफरेंशियल फोटोअकॉस्टिक सेल" (differential photoacoustic cell) को सटीक इंजीनियरिंग का उपयोग करके बनाया ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि दोनों चैनल एक-दूसरे के दर्पण प्रतिबिंब की तरह व्यवहार करें। उन्होंने ऐसे आयाम चुने जो गैस को लगभग 5260 हर्ट्ज़ की आवृत्ति पर अनुनाद (resonate), या कंपन कराने के लिए उपयुक्त हों, जो एक ऐसी पिच है जहाँ पृष्ठभूमि का शोर स्वाभाविक रूप से कम होता है और उनके चुने हुए माइक्रोफ़ोन सबसे अच्छा काम करते हैं। इसे बनाने से पहले सत्यापन करने के लिए, उन्होंने कंप्यूटर सिमुलेशन चलाया जिससे यह पता चला कि दबाव तरंगें सेल के भीतर कैसे चलती हैं। इन सिमुलेशनों ने दिखाया कि एक चैनल में दबाव वास्तव में दूसरे चैनल के बिल्कुल विपरीत होगा, जिससे यह पुष्टि हुई कि उनकी घटाव विधि काम करेगी। जब उन्होंने भौतिक उपकरण बनाया और उसका परीक्षण किया, तो परिणाम उनके अनुमानों से काफी मेल खाते थे, जिसमें वास्तविक सेल 5260 हर्ट्ज़ पर अनुनाद कर रहा था, जो उनके सिम्युलेटेड अनुमान 5164 हर्ट्ज़ से थोड़ा अधिक था। यह उपकरण गैस द्वारा उत्पन्न सूक्ष्म ध्वनियों के लिए एक मजबूत एम्पलीफायर साबित हुआ।

यह देखने के लिए कि यह सिस्टम कितनी अच्छी तरह काम करता है, टीम ने कार्बन डाइऑक्साइड के साथ इसका परीक्षण किया, जो पर्यावरणीय और सुरक्षा दोनों कारणों से निगरानी के लिए महत्वपूर्ण गैस है। उन्होंने हवा में कार्बन डाइऑक्साइड की विभिन्न मात्रा पेश की, जो बहुत कम स्तरों से लेकर उच्च सांद्रता तक थी, और सेल के माध्यम से एक लेजर बीम चमकाई। जैसे ही गैस ने प्रकाश को अवशोषित किया, माइक्रोफ़ोन ने परिणामी ध्वनि को पकड़ा। शोधकर्ताओं ने पाया कि जैसे-जैसे कार्बन डाइऑक्साइड की मात्रा बढ़ती है, सिस्टम सिग्नल में एक स्थिर, अनुमानित वृद्धि के साथ प्रतिक्रिया करता है। 1,000 से 50,000 पार्ट्स प्रति मिलियन (ppm) की विस्तृत सीमा में, गैस की मात्रा और ध्वनि सिग्नल के बीच का संबंध लगभग पूर्ण था। 1,000 से 10,000 पार्ट्स प्रति मिलियन की कम, अधिक कठिन सीमा में, यह सिस्टम और भी सटीक था, जो एक सीधी रेखा वाली प्रतिक्रिया दिखाता है जो उच्च विश्वसनीयता का संकेत देता है। उपकरण की संवेदनशीलता इतनी थी कि कार्बन डाइऑक्साइड के प्रति प्रत्येक पार्ट प्रति मिलियन जोड़े जाने पर, माइक्रोफ़ोन से मिलने वाला विद्युत सिग्नल एक सूक्ष्म लेकिन मापने योग्य मात्रा में बढ़ गया।

इस नए डिज़ाइन की वास्तविक शक्ति तब स्पष्ट हुई जब शोधकर्ताओं ने इसकी तुलना उसी के एक पारंपरिक, सिंगल-चैनल संस्करण से की। एक मानक सेटअप में, केवल एक माइक्रोफ़ोन एक सुरंग को सुनता है। जब उन्होंने एक ही चैनल के साथ समान परीक्षण किए, तो सिग्नल लगभग आधा था, और गैस सांद्रता तथा सिग्नल के बीच का संबंध थोड़ा कम सुसंगत था। दो-चैनल वाले डिफरेंशियल दृष्टिकोण का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने प्रभावी रूप से उस सिग्नल की ताकत को दोगुना कर दिया जिसे वे खोज रहे थे और साथ ही पृष्ठभूमि के शोर को भी रद्द कर दिया। इसने उन्हें अधिक विश्वास के साथ बहुत कम मात्रा में गैस का पता लगाने की अनुमति दी। जब उन्होंने स्थिरता की जांच करने के लिए सिस्टम को लंबे समय तक चलने दिया, तो उन्होंने पाया कि लगभग 100 सेकंड तक सुनने के बाद, उपकरण 14.3 पार्ट्स प्रति मिलियन जैसे निम्न स्तरों पर भी विश्वसनीय रूप से कार्बन डाइऑक्साइड का पता लगा सकता है। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध माइक्रोफ़ोन और एक कॉम्पैक्ट डिज़ाइन के साथ प्राप्त संवेदनशीलता का यह स्तर, छोटे, किफायती और अत्यधिक सटीक गैस सेंसर बनाने के लिए एक आशाजनक मार्ग का सुझाव देता है जिनका उपयोग औद्योगिक सुरक्षा निगरानी से लेकर मेडिकल ब्रीथ एनालिसिस (साँस विश्लेषण) तक, विभिन्न सेटिंग्स में किया जा सकता है।