_ Cristalul fotonic ultrasensibil detectează particule individuale până la 50 de nanometri

Folosind un cristal fotonic ultrasensibil, cercetătorii TU/e ​​au reușit să detecteze particule individuale cu un diametru de până la 50 de nanometri. Noua cercetare tocmai a fost publicată în revista Optica.

Ce au în comun lava vulcanică, fumul de foc, gazele de eșapament ale automobilelor și tonerul de imprimantă? Toate sunt surse de particule ultrafine — particule cu un diametru mai mic de 100 de nanometri, care pot prezenta riscuri grave pentru sănătate dacă sunt inhalate.

Datorită dimensiunii lor mici, nanoparticulele ultrafine sunt greu de detectat și măsurat fără a fi costisitoare și uneori. echipamente voluminoase. Pentru a depăși aceste probleme, cercetătorii noștri au proiectat un nou senzor ultra-sensibil cu vârf de fibră care poate detecta particule individuale cu diametre de până la 50 de nanometri. În viitor, noul senzor va fi folosit în studii pentru controlul și evaluarea calității aerului din interior în școli.

Nanoparticulele fac parte din lumea de zi cu zi pe care o numim acasă. De exemplu, în testele medicale, sunt disponibile dispozitive pentru a verifica nanoparticule, cum ar fi agenții patogeni și biomarkeri pentru boli precum cancerul.

Și în dezvoltarea de medicamente, o serie de nanoparticule sunt folosite pentru a realiza sistemele de livrare a medicamentelor viitor.

O clasă de nanoparticule care atrage multă atenție datorită conexiunii cu aerul pe care îl respirăm este particulele ultrafine (UFP), o particulă cu un diametru sub 100 de nanometri (nm).

Expunerea la UFP – care se găsesc în fum, gaze de eșapament și chiar în tonerele de imprimantă – poate prezenta riscuri grave pentru sănătate, mai ales dacă aceste particule sunt inhalate direct.

„Când UFP-urile se depun. în plămâni, poate prezenta un risc sever pentru sănătate, deoarece, odată ajunși în plămâni, pot absorbi toxinele pe care le-am putea inspira din aerul din jurul nostru, ca urmare, acele toxine rămân apoi în organism”, spune Arthur Hendriks, Ph .D. cercetător la Departamentul de Fizică Aplicată și Educație Științifică. „Așadar, pentru a preveni acest lucru, sunt necesare modalități precise de detectare a UFP pentru a monitoriza calitatea aerului din interior.”

De exemplu, cercetarea privind calitatea aerului din interior este în fruntea proiectului Horizon Europe LEARN, care urmărește să controleze și să evalueze calitatea aerului din interior în școli și să evalueze impactul calității aerului asupra sănătății copiilor, iar o parte din aceasta necesită modalități precise de a detecta UFP.

Dar detectarea UFP este mai ușor de spus decât de făcut totuși, și în mod ironic, detectarea unor astfel de particule mici se bazează pe utilizarea unor echipamente mari și costisitoare.

„Mare și costisitoare nu este răspunsul. Avem nevoie de dispozitive mici, compacte, precise și ieftine pentru a face este mai ușor să detectezi UFP-uri în fabrici, spitale, birouri și școli”, notează Hendriks.

Așadar, care este stadiul tehnicii acum? „Există senzori bazați pe tehnologii cu fibră optică care pot măsura lichide și gaze cu o bună acuratețe. Dar acești senzori nu sunt potriviți pentru măsurarea particulelor mici precum UFP-urile și, prin urmare, aplicarea lor este limitată în acest sens”, spune Hendriks.

Pentru a satisface cererea pentru o nouă tehnologie de detectare UFP, Hendriks și colaboratorii săi TU/e, care include Andrea Fiore – profesor de la Departamentul de Fizică Aplicată și Educație științifică, a dezvoltat un senzor nanofotonic cu vârf de fibră care este sensibil la modificări minuscule din mediul din jurul senzorului, atât de mult încât poate detecta o singură nanoparticulă de aceeași dimensiune ca UFP.

„Designul senzorului nostru este mic și compact și, important, indică clar când a avut loc o detectare”, spune Hendriks.

Lucrările cu senzorii cercetătorilor se bazează pe un cristal fotonic, o structură periodică sau repetată care poate reflecta lumina în toate direcțiile. „Un defect sau o eroare se adaugă apoi la cristal, care este cunoscut sub numele de cavitate de cristal fotonic sau PhCC pe scurt”, spune Hendriks.

O PhCC permite luminii să fie prinsă în cristal pentru o perioadă prelungită. Hendriks spune: „În esență, acesta este ceva ce numim factorul Q, care este o măsură a cât de bine poate fi prinsă lumina în defect în timp. În cazul nostru, lumina este limitată la un volum mic, care este mai jos. 1 µm3. Acesta este cunoscut sub numele de volumul modului, iar pentru a măsura nanoparticulele mici, aceasta trebuie să fie foarte mică.”

Cercetătorii au reușit să plaseze PhCC pe vârful unei fibre folosind o metodă dezvoltată. de grupul Andreei Fiore în 2020. Când o particulă minusculă se apropie de PhCC din cristal, ea deranjează cavitatea modificându-și indicele de refracție. „Deci, particulele mici modifică lungimea de undă a luminii prinse în cavitate și măsurăm această schimbare.”

Provocarea majoră cu care se confruntă cercetătorii a fost că cavitățile standard nu pot fi citite folosind fibre. O cavitate standard pe o fibră nu ar fi funcționat, deoarece lumina din fibră nu se va cupla cu cavitatea.

Scenariul de vis pentru cercetători a fost să optimizeze factorii cheie ai dispozitivului. În primul rând, a fost necesar un factor Q ridicat pentru a permite urmărirea mai precisă a lungimii de undă a cavității. În al doilea rând, a fost necesar un volum de mod mic, deoarece acesta permite detectarea particulelor mai mici. În al treilea rând, o eficiență de cuplare mai mare a fost o necesitate pentru a se asigura că lumina din fibră se poate cupla la cavitate și înapoi, făcând posibilă măsurarea lungimii de undă a cavității prin fibră.

Pentru a rezolva toate aceste provocări, cercetătorii au folosit o metodă dezvoltată de cercetătorii de la Universitatea Stanford pentru a optimiza factori precum factorul Q, volumul modului și eficiența de cuplare în același timp.

„Configurația noastră oferă o sensibilitate fără precedent în comparație cu tehnologiile anterioare existente. ”, subliniază Hendriks. „Folosind senzorul, am reușit să detectăm în timp real UFP-uri unice cu diametre de până la 50 de nanometri. În opinia mea, este pur și simplu uimitor.”

Următorul pas pentru Hendriks și colegii săi este să suspendați cavitățile astfel încât factorul de calitate și eficiența de cuplare să fie și mai mari, ceea ce ar putea avea ca rezultat cavități nanofotonice cu caracteristici de cea mai bună calitate, dar totuși lizibile prin fibră.

„Abordarea noastră ar putea fi folosită. pentru a detecta particule și mai mici Sau chiar și în alte aplicații, cum ar fi emițători cu un singur foton și senzori nano-optomecanici”, spune Hendriks. „Și o aplicație suplimentară a noii abordări ar putea fi chiar și detectarea unor molecule biologice individuale.”

Următorul senzorului UFP va fi proiectul european LEARN, care are ca scop controlul și evaluarea calității aerului în școli. , și se va face în colaborare cu grupul Microsystems de la TU/e.

(Fluierul)