Revista si suplimente
MarketWatch
Inapoi Inainte

Domeniul senzoristicii și detecției, vârf al cercetării aplicative în INFLPR și pol național de excelență

21 Octombrie 2020



De peste 20 de ani, în Secția Laseri din cadrul Institutului Național pentru Fizica Laserilor, Plasmei și Radiației (INFLPR) se desfășoară cercetări în domeniul senzoristicii și detecției de gaze, cercetătorii reușind să acumuleze expertiză valoroasă în fabricarea, caracterizarea și testarea mai multor tipuri de senzori la standarde europene. Dezvoltarea acestei direcții de cercetare a luat naștere din necesitatea de a produce în România dispozitive de detecție accesibile, eficiente și rapide, cu un impact major asupra siguranței populației și economiei. Misiunea asumată a fost împlinită, în prezent senzorii realizați în cadrul Secției Laseri din INFLPR având aplicabilitate în medicină, în sectorul de apărare și securitate, în controlul calității alimentelor, precum și în monitorizarea mediului înconjurător.

INFLPR este la nivel național un pol de excelență în domeniul senzoristicii și detecției de gaze, datorită capacității institutului de a acoperi un palier foarte larg de activități, de la cercetare fundamentală la cercetare aplicativă, dezvoltare și prototipare, parcurgând toate etapele tehnologice necesare pentru fabricarea senzorilor și platformelor de detecție. În scurt timp, un proiect finanțat prin Programul Operațional Competitivitate, IN2-FOTOPLASMAT, aflat în derulare, va conduce spre un nou salt evolutiv: cele 3 grupuri din Secția Laseri cu preocupări în domeniu își vor concentra activitatea și competențele in cadrul unui departament dedicat, ce va activa într-un nou centru de cercetare, iar infrastructura de top dezvoltată va permite INFLPR să atingă un nivel de maturitate tehnologică (technological readiness level –TRL) transferabil în industrie.

Sunt obiective și construcții aflate în concordanță cu strategia INFLPR din ultimii ani, subliniază dr. Gabriel Socol, șeful Secției Laseri: „Încercăm să transferăm în piață tehnologiile existente, să le facem vizibile şi accesibile actorilor interesați din mediul economic. Infrastructura creată în jurul proiectelor din domeniul senzoristicii aduce beneficii pe termen lung, sporind capacitatea noastră de transfer către industrie și mediul de afaceri, asigurând și deschizând drumul spre direcții multiple de cercetare și colaborări, datorită diferitelor aplicații în care poate fi folosită”.



Abordările câștigătoare
Care sunt pistele majore care au validat în timp valoarea preocupărilor și eforturilor INFLPR în domeniu? Pe drumul deopotrivă dificil și captivant al senzoristicii și detecției au pășit mai multe grupuri de cercetare. Rezultatele nu au întârziat să apară, adoptându-se diferite abordări legate de tipul de detecție.

O primă abordare importantă este sistemul de detecție a semnalului fotoacoustic pe baza selectivității unei surse laser cu CO2.
Alexander Graham Bell a fost cel care a descoperit efectul fotoacustic (anul 1880) încercând să dezvolte o modalitate de comunicare fără fir. El a descoperit apariția unui semnal în domeniul audio atunci când un fascicul de lumină focalizat a fost întrerupt rapid și lăsat să cadă pe un bloc de seleniu. Cu toate că aceste semnale au fost observate, acest domeniu a fost abordat pe larg abia după 50 de ani, când a fost inventat microfonul, aparat care a făcut posibilă înregistrarea acestor semnale. În general, succesul tehnicilor de detecție fotoacustică a urmelor de gaze depinde în mod esențial de disponibilitatea și performanța sursei laser, dar și de schema de detecție utilizată. În cadrul grupului „Laseri în domeniul științelor vieții, mediu și producției” s-au dezvoltat ansamble robuste de detecție a gazelor, cu aplicații de detecție fotoacustică a unor biomarkeri din respirația oamenilor cu diferite disfuncții (renale, mentale, boli de plămâni și cancer, fumători, diabet, etc), cât și în aplicații de detecție a unor biomarkeri din respirația oamenilor sănătoși (scafandrii, vegetarieni, oamenii activi și cei cu diferite stiluri alimentare), dar și din respirația plantelor, fructelor și legumelor în diferite condiții de stocare sau diferite condiții de germinare.

O a doua abordare este legată de sistemele de detecție cu fibră optică care se bazează pe fenomenul de rezonanță a plasmonilor de suprafață (FO-SPR).
Istoric, prima dovadă a fenomenului de rezonanță a plasmonilor de suprafață (SPR) datează din 1902, când Wood a observat un model de benzi întunecate și strălucitoare în lumina reflectată provenind de la o undă de lumină polarizată, incidentă la o rețea de difracție construită deasupra unei oglinzi. În ciuda diferitelor încercări de abordare a acestei apariții optice, prima explicație completă a efectului a fost făcută 60 de ani mai târziu de Otto și Kretschmann, care au raportat excitația plasmonilor de suprafață prin reflexie totală atenuată folosind un sistem optic. Comercializarea unui dispozitiv bazat pe fenomenul de rezonanță a plasmonilor de suprafață (SPR) a avut loc abia în 1990, cu scopul de a fi folosit pentru detecția interacţiilor dintre proteine. De atunci, dezvoltarea biosenzorilor care se bazează pe principiul SPR a progresat semnificativ, sistemele SPR clasice cu prismă devenind instrumente standard pentru caracterizarea și cuantificarea interacţiilor biomoleculare și studierea reacțiilor chimice în timp real. În ultimul deceniu, s-au înregistrat progrese importante pentru a construi instrumente SPR mai performante și mai ușor de utilizat. Recent, a fost dezvoltată în Secția Laseri o platformă versatilă de detecție cu fibră optică, unică în România, bazată pe fenomenul de rezonanță a plasmonilor de suprafață, potențialul acesteia fiind evaluat în diferite aplicații, precum detecția alergenilor (de ex. alergenul Ara h1 din alune) și agenților patogeni (de ex. virusuri precum SARS-CoV-2), monitorizarea diverselor gaze din mediul înconjurător (de ex. amoniac) sau studierea calității apei (de ex. diverse pesticide).



Senzorii inteligenți dezvoltați în cadrul Secției Laseri din INFLPR reprezintă o confirmare a activității reușite în domeniu. Datorită nevoilor cotidiene tot mai crescute care vizează domenii vaste, ca de exemplu verificarea în aeroporturi, inspecția containerelor de marfă, sau supravegherea spațiilor publice și evaluarea stării de sănătate a persoanelor, grupul de „Procesare fotonică de materiale avansate” a căutat să găsească soluții practice în domeniile strategice de securitate, energie și sănătate. De asemenea, s-a reușit dezvoltarea de materiale și membrane active pentru sisteme de senzori, precum și matrici de senzori chemorezistivi (care măsoară o schimbare în rezistența senzorului) ce au în alcătuire nanotuburi de carbon și care sunt destinate detecției de explozivi. Aceste matrici de senzori sunt fabricate printr-o tehnică de scriere directă cu laserul (laser-induced forward transfer - LIFT), care permite plasarea cu rezoluție spațială foarte ridicată a materialelor ce detectează ulterior compușii explozivi.

În cadrul Secției Laseri din INFLPR este abordată cu succes direcția senzorilor bazați pe unde acustice de suprafață – SUAS, care prezintă o serie de avantaje: sensibilitate ridicată a undei acustice la modificările ce au loc la suprafață, costul scăzut, portabilitatea sau posibilitatea de operare la distanță (wireless).

În decursul timpului, în cadrul grupului „Doturi Cuantice, nanopulberi și filme subțiri nanostructurate” au fost dezvoltați senzori SUAS inteligenți cu aplicații în tehnici de detecție militare și în domeniul securității. Astfel, pentru prima dată, în România au fost produși senzori cu unde acustice de suprafață pentru detecția gazelor toxice. Testați pe gaze de luptă, senzorii au avut performanțe foarte bune, precum limita de detecție scăzută și timp de răspuns rapid, rezultatele fiind publicate în literatura de specialitate.

Mai mult, structura senzorilor SUAS poate fi adaptată funcționării lor în lichide. Acest tip de senzori SUAS au avantajul detecției directe și rapide a unor materiale biologice. În grup, au fost dezvoltați, de exemplu, astfel de biosenzori pentru detecția reacției antigen-anticorp pentru Alfa-toxina B1 (o toxină cancerigenă din alimente), având o limită de detecție foarte bună, mai mică chiar decât a biosenzorilor utilizați convențional, precum și marele avantaj al analizei reacției în timp real.

Proiecte de referință și rezultate deosebite
Dezvoltările din INFLPR în domeniul senzoristicii și detecției de gaze au fost posibile prin câștigarea și participarea la proiecte complexe, naționale și internaționale.
Începând cu anul 2011, grupul „Laseri în domeniul științelor vieții, mediu și producție” a abordat în cadrul proiectelor naționale un domeniu de interes major, prin monitorizarea concentrațiilor de amoniac la pacienții cu disfuncții renale, dializați. Au fost raportate la momentul respectiv rezultate cu un grad mare de noutate, atât pe plan național, cât și internațional. Într-un alt studiu, s-au obținut rezultate deosebite în urma evaluării eficienței senzorilor de bio-remediere a metalelor grele prin monitorizarea răspunsului biologic al vegetației contaminate.



Parerea ta conteaza:

(0/5, 0 voturi)

Lasa un comentariu



trimite
Felicia ANTOHE
Felicitari intregii echipe de cercetare pentru preocuparile interesante si cu potential ridicat de aplicare practica . Va doresc sa obtineti rezultate valoroase si cat mai multe proiecte care sa asigure o finatare adecvata atat pentru echipamentele necesare cat si pentru mentinerea si perfectionarea resursei umane valoroase. Un cercetator pasionat!
17 Noiembrie 2020, 10:39:29