لیزر لایدار انقلابی در شناسایی پلاستیک‌ها: نجات اقیانوس‌ها با پهپادها

یه پیشرفت تازه: سیستم جدید لیزر لایدار برای عکس‌برداری رامان هایپراسکرپترال و شناسایی پلاستیک‌ها

دانشمندا یه سیستم جدید لیزر لایدار برای عکس‌برداری رامان هایپراسکرپترال ساختن که می‌تونه از راه دور انواع مختلف پلاستیک‌ها رو شناسایی و تشخیص بده. این تکنولوژی می‌تونه یه کمک بزرگ برای حل مشکل جدی آلودگی پلاستیکی توی اقیانوس‌ها باشه و ابزارهای بهتری برای بررسی و تحلیل فراهم کنه. توشی‌هیرو سومه‌کاوا، که سرپرست تیم تحقیقاتی از مؤسسه فناوری لیزر در ژاپن هست، گفت: «آلودگی پلاستیکی یه خطر جدی برای محیط زیست دریایی و زندگی مردم به حساب میاد و روی صنایعی مثل شیلات، گردشگری و حمل و نقل تأثیر میذاره.» اون اضافه کرد: «برای اینکه بتونیم محیط زیست دریایی رو مدیریت و حفظ کنیم، باید بدونیم زباله‌های پلاستیکی چقدر هستن، کجا پخش شدن و چه مقدار ازشون وجود داره؛ اما روش‌های سنتی آزمایشگاهی معمولاً زمان‌برن، هزینه‌برن و به نیروی کار زیادی نیاز دارن.»

سیستم جدید چه جوری کار می‌کنه؟

در مجله Optics Letters که زیرمجموعه گروه انتشاراتی Optica هست، محققان سیستم جدیدشون رو معرفی کردن. این سیستم جمع و جور و کم‌مصرفه، به همین دلیل برای استفاده روی پهپادها (هواپیماهای بدون سرنشین) خیلی مناسبه. اونا نشون دادن که این سیستم می‌تونه پلاستیک‌ها رو از فاصله ۶ متری تشخیص بده و یه میدان دید نسبتاً وسیع (۱ میلی‌متر در ۱۵۰ میلی‌متر) داره. سومه‌کاوا گفت: «یه پهپاد که به حسگر لایدار ما مجهزه، می‌تونه برای ارزیابی زباله‌های پلاستیکی روی خشکی یا توی دریا استفاده بشه و راه رو برای پاکسازی هدفمندتر و پیشگیری از آلودگی باز کنه.» اون همچنین اضافه کرد: «این سیستم می‌تونه برای کارهای نظارتی دیگه، مثل تشخیص نشت گازهای خطرناک هم استفاده بشه.»

تشخیص از راه دور: یه گام بزرگ

قبلاً محققان یه سیستم نظارتی بر اساس تکنیک لایدار رامان فلش نشون داده بودن که توی اون فیلترهای باندپاس برای هر هدف اندازه‌گیری به ترتیب تنظیم می‌شدن. اما این روش برای تشخیص پلاستیک‌های دریایی عملی نیست، چون عوض کردن فیلترها باعث می‌شه اندازه‌گیری سه بعدی و سریع انجام نشه. گروه‌های تحقیقاتی دیگه هم دارن از عکس‌برداری رامان هایپراسکرپترال برای بررسی آلودگی پلاستیکی استفاده می‌کنن.

ترکیب طیف‌سنجی رامان و عکس‌برداری: یه راه‌حل هوشمندانه

این تکنیک، طیف‌سنجی رامان رو با عکس‌برداری ترکیب می‌کنه تا اطلاعات شیمیایی فضایی رو از یه نمونه به‌دست بیاره و نقشه‌های دقیقی از ترکیب و ساختار مولکولی بسازه. اما عکس‌برداری رامان هایپرطیفی معمولاً فقط می‌تونه اهدافی رو که نزدیک دستگاه هستن، تشخیص بده. برای شناسایی از راه دور، محققان لیزر لایدار رو با طیف‌سنجی رامان هایپرطیفی ترکیب کردن تا فاصله رو هم اندازه‌گیری کنن.

اونا این کار رو با ساخت یه سیستم نمونه‌سازی انجام دادن که شامل یه لیزر سبز پالسی با طول موج ۵۳۲ نانومتر برای اندازه‌گیری لایدار و یه طیف‌سنج عکس‌برداری دو بعدی بود که به یه CCD تقویت‌شده (ICCD) مجهز بود. سیگنال رامان که از یه هدف دور منعکس می‌شد، به صورت یه خط عمودی تشخیص داده می‌شد و اطلاعات هایپرطیفی موجود در هر نقطه به صورت افقی ثبت می‌شد. استفاده از دوربین ICCD، که می‌تونه توی مقیاس زمانی نانوثانیه دروازه‌بندی بشه، برای اندازه‌گیری رامان لایدار با دقت فاصله‌ای بالا خیلی مهم بود.

عکس‌برداری رامان با دقت فاصله‌ای بالا

«ما سیستم‌مون رو طوری طراحی کردیم که همزمان عکس و اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی رو بگیره»، این رو سومه‌کاوا گفت. «از اونجایی که طیف رامان برای هر نوع پلاستیک منحصربه‌فرده، اطلاعات عکس‌برداری می‌تونه برای فهمیدن پراکندگی فضایی و نوع زباله‌های پلاستیکی استفاده بشه و اطلاعات هایپرطیفی می‌تونه از اهداف در هر فاصله‌ای به‌دست بیاد، چون لیزر پالسی اندازه‌گیری‌های با دقت فاصله‌ای رو ممکن می‌کنه.»

محققان سیستم نمونه‌سازی خودشون رو روی یه نمونه پلاستیکی آزمایش کردن که شامل یه ورق پلی‌اتیلن در موقعیت بالا و یه ورق پلی‌پروپیلن در موقعیت پایین بود. از فاصله ۶ متری، سیستم تونست طیف‌های مشخصه هر پلاستیک رو بگیره و عکس‌هایی از پراکندگی عمودی پلاستیک‌ها بسازه. محققان می‌گن که اندازه پیکسل عکس‌ها ۰.۲۹ میلی‌متر بوده، که نشون می‌ده زباله‌های پلاستیکی کوچیک رو هم می‌شه با استفاده از سیستم عکس‌برداری رامان هایپرطیفی لایدار اندازه‌گیری و تحلیل کرد.

تو مرحله بعد، محققان می‌خوان از این سیستم برای بررسی میکروپلاستیک‌ها، که توی آب شناورن یا غوطه‌ورن، استفاده کنن. این کار باید ممکن باشه، چون نور لیزر در حدود ۵۳۲ نانومتر به خوبی از آب عبور می‌کنه و تشخیص رو توی محیط‌های آبی بهتر می‌کنه.