Esperimenti

Sensori fotoacustici per rilevamento di gas in tracce

In termini di sensibilità, specificità e rapidità di misura, la migliore opzione per rivelare e quantificare tracce estremamente piccole di una specifica molecola in un campione gassoso è rappresentata, allo stato attuale, da sensori ottici basati su sorgenti laser. Sono molte le tecniche spettroscopiche sviluppate allo scopo, selezionabili a seconda di parametri quali la compattezza e il costo finale del sensore, la possibilità di operare in situ, il livello di sensibilità finale raggiungibile.
Se guardiamo in particolare ad applicazioni quali il monitoraggio di gas in contesti di interesse civile/industriale, tra i sensori ottici più performanti troviamo sicuramente quelli basati sulla tecnica detta Spettroscopia Fotoacustica (PAS). Il numero estremamente ridotto di componenti ottiche richieste (una sorgente laser, una cella di analisi e un microfono che funge da rivelatore) rende questi sensori particolarmente compatti, robusti e interessanti dal punto di vista dei costi. L’effetto fotoacustico è stato osservato e spiegato da Bell nel lontano 1881, ben prima dell’avvento dei laser. Quando un gas viene irraggiato con della luce, questo può assorbire una parte dell’energia incidente in proporzione alla sua concentrazione. Il gas rilascia poi parte dell’energia assorbita sotto forma di calore, provocando un aumento locale della pressione. Se la luce incidente viene modulata ad una certa frequenza, l’aumento della pressione diventa periodico, andando così a formare un’onda sonora che può essere rivelata da un opportuno microfono. Da quando è stata chiara l’utilità della tecnica nel campo della spettroscopia e del gas sensing sono state elaborate numerose varianti, in particolare nella progettazione dell’elemento di rivelazione, che hanno portato ad un sempre più marcato miglioramento della sensibilità di misura.
Una di queste varianti, introdotta nel 2002, utilizza al posto del microfono l’oscillatore (diapason, o tuning fork) di quarzo che è comunemente istallato negli orologi al quarzo. In questa tecnica (QEPAS – Quartz-Enhanced PhotoAcoustic Spectroscopy) la sorgente laser viene modulata (in frequenza o in ampiezza) in modo che l’onda acustica generata dal rilassamento del gas vada ad eccitare la risonanza dell’oscillatore (32 kHz). Negli ultimi anni abbiamo sviluppato diversi sensori QEPAS basati su laser a cascata quantica operanti nel medio e lontano infrarosso (THz) grazie a numerose collaborazioni (CNR-IFN e Università di Bari, CNR-NANO e Scuola Normale Superiore di Pisa). I sensori sono stati testati su gas di interesse ambientale o industriale come CO2, SF6, NO2, H2S, metanolo e hanno dimostrato sensibilità di rivelazione fino a concentrazioni minime di 50 ppt (parti per trilione) con 1 secondo di tempo di integrazione del segnale. Una ulteriore variante della tecnica che abbiamo chiamato Intracavity-QEPAS, o I-QEPAS, sviluppata e dimostrata nei nostri laboratori, combina le tuning fork di quarzo con cavità ottiche di alta finesse, allo scopo di migliorare ulteriormente la sensibilità di misura. Abbiamo dimostrato che con questa nuova architettura la concentrazione minima rivelabile si può abbattere anche di oltre due ordini di grandezza, a seconda della finesse della cavità e della specie molecolare sotto indagine.
Allo stato attuale stiamo lavorando allo sviluppo di nuovi sensori QEPAS e I-QEPAS per la rivelazione di specie gassose tossiche o instabili. Stiamo anche progettando nuovi sensori nei quali le tuning fork siano sostituite da cantilever di silicio, che dovrebbero ulteriormente migliorare le sensibilità di rivelazione fino a valori prossimi a quelli di tecniche ben più sofisticate come la cavity ring-down spectroscopy.

Questa attività è portata avanti in collaborazione con CNR-IFN, Università e Politecnico di Bari, CNR-NANO di Pisa, e CNR-INO di Napoli.