توصل الباحثون إلى طريقة جديدة تحمل اسم التحليل الطيفي الكوارتزي المُحسَّن والمتحكم فيه بالتناغم (Coherently Controlled Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy)، تتيح الكشف عن الغازات بتركيزات منخفضة جدا بسرعة وفعالية عالية.

تطبيقات متعددة

يمكن استخدام هذه التقنية في مجالات عديدة مثل مراقبة البيئة، الكشف المبكر عن السرطان عبر تحليل التنفس، وضمان سلامة العمليات الكيميائية. وقد أصبحت العملية التي كانت تستغرق وقتا طويلاً ممكنة الآن في غضون ثوانٍ.

تعزيز الدقة في الكشف عن الغازات الخطرة

أوضح الباحث سيمون أنغستينبرغر من جامعة شتوتغارت أن "معظم الغازات تكون موجودة بكميات ضئيلة، لذلك يعد الكشف عن الغازات بتركيزات منخفضة أمرا بالغ الأهمية في العديد من الصناعات". وأكد أن الطريقة الجديدة لا تعتمد على نوع معين من الغازات، ولا تتطلب معرفة مسبقة بالغاز المستهدف، مما يجعلها حلاً شاملاً للكشف عن الغازات.

في دراسة نشرت اليوم (9 يناير 2025) في مجلة Optica، تمكن الفريق البحثي من التقاط الطيف الكامل لغاز الميثان في ثلاث ثوانٍ فقط، وهو إنجاز يستغرق عادةً حوالي 30 دقيقة.

استخدامات تقنية

مراقبة المناخ: يمكن استخدام التقنية لرصد الغازات الدفيئة مثل الميثان، الذي يُعد من أبرز العوامل المساهمة في تغير المناخ.

الكشف الطبي: لديها إمكانيات في الكشف المبكر عن السرطان عبر تحليل التنفس.

الأمان الصناعي: تتيح رصد تسرب الغازات السامة أو القابلة للاشتعال في مصانع الإنتاج الكيميائي.

كيف يعمل التحليل الطيفي؟

تعتمد تقنية التحليل الطيفي على تحديد الغازات من خلال تحليل خصائص امتصاص الضوء الفريدة لكل غاز. ولكن الكشف عن تركيزات منخفضة يتطلب ليزرا قابلا للتعديل بسرعة، وآلية كشف حساسة للغاية، وتحكمًا دقيقًا في توقيت الليزر.

استخدم الباحثون ليزرا حديثا تم تطويره بواسطة شركة Stuttgart Instruments GmbH، إلى جانب تقنية QEPAS التي تعتمد على شوكة ضبط كوارتزية للكشف عن امتصاص الغازات من خلال قياس اهتزازاتها بتردد 12,420 هرتز. يتم تسخين الغاز بين شوكتي الشوكة باستخدام نبضات ليزرية، مما يؤدي إلى حركة الشوكات وتوليد جهد كهربائي يمكن قياسه.

تحسين السرعة باستخدام التحكم التوافقي

لمعالجة التحدي المتمثل في الاهتزاز المستمر للشوكة أثناء تغيير الأطوال الموجية، طور الباحثون تقنية جديدة تُسمى التحكم التوافقي، حيث يتم ضبط توقيت نبضات الليزر بشكل دقيق لتثبيط الاهتزاز بسرعة، مما يتيح القياس الفوري.

ثورة في سرعة الكشف عن الغازات

تمكن الباحثون من اختبار الطريقة الجديدة باستخدام خلية غاز تحتوي على ميثان بتركيز 100 جزء في المليون. وأظهرت النتائج أن التقنية الجديدة حافظت على وضوح الطيف دون تشويش، مما يجعلها مناسبة للكشف الفوري عن مجموعة واسعة من الغازات.

الخطوات المستقبلية

يخطط الباحثون لاختبار حدود هذه التقنية لتحديد أقصى سرعة للكشف وأدنى تركيز يمكن اكتشافه، بالإضافة إلى استخدامها للكشف عن غازات متعددة في وقت واحد.

تقنية التحليل الطيفي الكوارتزي المُحسَّن والمتحكم فيه بالتناغم تعد خطوة ثورية نحو كشف الغازات بسرعة ودقة غير مسبوقة، مما يفتح آفاقًا واسعة لتطبيقات بيئية، طبية، وصناعية.