Patrisiya Delasi, Miçiqan Universiteti tərəfindən

Lisa Lock tərəfindən redaktə edilib , Robert Egan tərəfindən nəzərdən keçirilib

 Redaktorların qeydləri

 GIST

Tercih edilən mənbə kimi əlavə edin

MonoGSA sistemi ilk dəfə olaraq qaz nümunələrinin götürülməsi və təhlili üçün bütün maye komponentləri 15×15 millimetrlik çip üzərində birləşdirir. Monolit dizayn etibarlılığı artıracaq və sənaye və ya ətraf mühit monitorinqi üçün xərcləri azaldacaq. Müəllif: Jero Lopera, Michigan Engineering

Yeni mikromiqyaslı qaz xromatoqrafiya sistemi ilk dəfə olaraq bütün maye komponentlərini tək bir çipə birləşdirir. Miçiqan Mühəndislik Universitetinin Microsystems & Nanoengineering jurnalında dərc olunmuş yeni bir araşdırmasına görə, dizayn, klapanlara ehtiyacı aradan qaldırmaq üçün istilik fərqlərindən istifadə edərək qaz molekullarını hərəkət etdirən üç Knudsen nasosundan istifadə edir . Monolit qaz nümunəsi və analiz sistemi və ya qısaca monoGSA sistemi, sənaye kimyəvi və ya əczaçılıq sintezi, təbii qaz boru kəmərləri və hətta evdə hava keyfiyyəti üçün etibarlı, ucuz monitorinq təklif edə bilər.

Miniatürləşdirici qaz xromatoqrafiyası

Qaz xromatoqrafiyası uzun müddətdir ki, uçucu üzvi birləşmələrin – sənaye proseslərindən, yanacaqlardan, məişət məhsullarından və daha çoxundan yayılan qazların ölçülməsi və kəmiyyətləndirilməsi üçün qızıl standart hesab olunur. Bu yaxınlarda mikroqaz xromatoqrafiyası texnologiyanı portfel ölçüsünə və ya daha kiçik ölçüyə qədər miniatürləşdirərək qaz analizini laboratoriyadan mənbəyə çatdırdı.

Əksər mikroqaz xromatoqrafiya sistemləri qaz molekullarını giriş portundan nümunələri çıxaran və konsentratlaşdıran prekonsentratora, sonra prekonsentratdan kimyəvi ayırma üçün sütuna, daha sonra detektora və nəhayət, egzoz portuna daşımaq üçün nasoslar və klapanlardan istifadə edir. Bu vaxta qədər nasoslar və klapanlar ayrıca istehsal və yığılmışdır ki, bu da cihazın ölçüsünü, yığma xərcini və qoşulma nöqtələrində nasazlıq riskini artırır.

Tam inteqrasiya olunmuş, monolit mikroqaz xromatoqrafiya sistemi ilk dəfə 2000-ci ildə nəzərdə tutulsa da, dizaynın həyata keçirilməsi 25 il çəkdi.

“Sanki hər şeyi bir çipə sıxışdırmışıq kimi səslənə bilər, amma məsələ bundan daha çox şeydədir. Mürəkkəb istilik izolyasiyası problemlərini həll etmək üçün nasosların necə işlədiyini yenidən dizayn etməli və istehsal prosesimizi əsaslı şəkildə təkmilləşdirməli olduq. Bu inteqrasiya səviyyəsinə çatmaq üçün problemi əslində başqa cür həll etdik”, – deyə UM-də elektrik və kompüter mühəndisliyi və mexaniki mühəndislik professoru və tədqiqatın həmmüəllifi Yogesh Gianchandani bildirib.Monolit qaz nümunə götürmə və analiz sistemi və ya qısaca monoGSA sistemi, qazı ultra dar kanallar vasitəsilə soyuq tərəfdən (aşağıdan) isti tərəfə (yuxarıya) daşımaq üçün üç Knudsen nasosundan istifadə edir ki, bu da termal transpirasiya kimi tanınır. Nasoslar nümunəni gətirmək və onu əvvəlcədən konsentratora, sütun vasitəsilə və detektora daşımaq üçün birlikdə çalışırlar. Müəllif: Zhao və digərləri, 2025 (sxematik) və Jero Lopera, Michigan Engineering (foto)

Knudsen nasos həlli

15×15 millimetrlik kvadrat çip, iki əridilmiş silisium təbəqəsi arasında yerləşdirilmiş silikon izolyatoru (SOI) platformasından hazırlanmışdır. Üstünə yerləşdirilmiş metal izləri isti tərəf yaratmaq üçün Joule qızdırıcısı kimi çıxış edir, qalın silikon əsas isə sərin tərəfi saxlamaq üçün istilik radiatoru yaradır. Cəmi 1,2 mikron enində ultra dar kanallar, qaz molekullarını heç bir hərəkət edən hissə olmadan soyuq tərəfdən isti tərəfə hərəkət etdirən Knudsen nasosları yaradır.

“Bu dar kanallarda qaz molekullarının bir-birinə dəyib təsadüfi hərəkət yaratmaq əvəzinə, yan divarlara dəymə ehtimalı artır. Nəticədə, istilik transpirasiyası üstünlük təşkil edir və molekulları soyuqdan isti tərəfə keçirir”, – deyə UM-də elektrik və kompüter mühəndisliyi üzrə tədqiqatçı köməkçisi və tədqiqatın həmmüəllif müəllifi Yutao Qin bildirib.

MonoGSA sistemi qaz axınını selektiv şəkildə istiqamətləndirmək üçün üç Knudsen nasosundan istifadə edir. Nümunə götürmə mərhələsində Knudsen Nasosu 1 (KP1) qaz nümunəsini əvvəlcədən konsentratora çəkir, KP3 isə istənməyən qazın ayırma sütununa çox tez daxil olmasının qarşısını almaq üçün əks-tarazlaşdırma təzyiqi təmin edir. Ayrılma vaxtı çatdıqda, KP3 qazı əvvəlcədən konsentratdan sütun vasitəsilə detektora çəkir, KP2 isə istənməyən qazın geri sızmasının qarşısını almaq üçün əks təzyiq təmin edir.

Kiçik həcmlərlə yüksək dəqiqlik

Tədqiqat qrupu monoGSA sistemini sənaye kimyəvi sintezi və ətraf mühitin monitorinqi üçün vacib olan dörd fərqli kimyəvi qarışıq üzərində sınaqdan keçirdi. Hər bir sınaq üçün monoGSA sistemi maye qarışığın üzərindəki havadan iki dəqiqə nümunə götürdü, sonra ayırma və aşkarlama üçün on dəqiqə vaxt verdi.

Çip hər qarışığın tərkibindəki kimyəvi maddələri ±6.5-8.5% dəqiqliklə uğurla ölçdü. Sistem rütubət səviyyələrində 15%-dən 100%-ə qədər performansı qorudu və uzunmüddətli monitorinq üçün uyğunluğunu nümayiş etdirərək passiv, aşağı güclü nümunə götürmə rejimlərini dəstəklədi.

“Məni təəccübləndirən o idi ki, əldə etdiyimiz nəticələrə nail olmaq üçün nə qədər az qaz axınına ehtiyacımız var idi. Ənənəvi sistemlərin əksəriyyəti aydın göstərici əldə etmək üçün xeyli çox həcm tələb edir”, – deyə Gianchandani bildirib.

Növbəti addım olaraq, monoGSA sistemi laboratoriyadan sahəyə keçməyə hazırdır. Daha ucuz, inteqrasiya olunmuş dizayn çipin həm sənaye tərəfdaşlarına, həm də fərdi istehlakçılara çirklənmə və ya qapalı hava keyfiyyətinin monitorinqi üçün çatmasına kömək edə bilər. Uzunmüddətli perspektivdə tədqiqat qrupu nəfəs analizi üçün qeyri-invaziv tibbi diaqnostik vasitələrdə və ya hətta ağıllı saat kimi geyilə bilən cihazlarda istifadəni nəzərdə tutur.

Komanda UM Innovation Partnerships şirkətinin köməyi ilə patent qorunması üçün müraciət edib və texnologiyanı bazara çıxarmaq üçün tərəfdaşlar axtarır.

Daha çox məlumat: Xiangyu Zhao və digərləri, Mikromiqyaslı qaz xromatoqrafiyası üçün tam, özünü təmin edən maye sistemi yaratmaq üçün Knudsen nasoslarının monolit inteqrasiyası, Mikrosistemlər və Nanomühəndislik (2025). DOI: 10.1038/s41378-025-01091-2

Jurnal məlumatları: Mikrosistemlər və Nanomühəndislik Miçiqan Universiteti tərəfindən təmin edilir