Nyt mikroskop identificerer kemisk partikler i mikronstørrelse

Forskere har udviklet et mikroskop, der kemisk kan identificere individuelle partikler i mikronstørrelse. Den nye tilgang kunne en dag bruges i lufthavne eller andre steder med høj sikkerhed som en meget følsom og billig måde hurtigt at screene mennesker for mikroskopiske mængder af potentielt farlige materialer.

I journalen Optik bogstaver , fra The Optical Society (OSA), forskere fra Massachusetts Institute of Technology's Lincoln Laboratory, USA, demonstreret deres nye mikroskop ved at måle infrarøde spektre af individuelle 3-mikrons kugler lavet af silica eller akryl. Den nye teknik bruger en simpel optisk opsætning bestående af kompakte komponenter, der gør det muligt at miniaturisere instrumentet til en bærbar enhed på størrelse med en skoæske.

"Den vigtigste fordel ved vores nye teknik er dens meget følsomme, alligevel bemærkelsesværdigt enkelt design, "sagde Ryan Sullenberger, associeret personale på MIT Lincoln Labs og første forfatter af papiret. "Det giver nye muligheder for ikke-destruktiv kemisk analyse, mens det baner vejen mod ultrafølsom og mere kompakt instrumentering."

Mikroskopets evne til at identificere individuelle partikler kan gøre det nyttigt til hurtig påvisning af kemiske trusler eller kontrollerede stoffer. Dens høje følsomhed er også ideel til videnskabelig analyse af meget små prøver eller til måling af materialers optiske egenskaber.

Undersøgelse af spektrale fingeraftryk

Infrarød spektroskopi bruges typisk til at identificere ukendte materialer, fordi næsten alle materialer kan identificeres ved dets unikke infrarøde absorptionsspektrum, eller fingeraftryk. Den nye metode registrerer dette infrarøde fingeraftryk uden brug af infrarøde detektorer. Disse detektorer tilføjer betydelig bulk til traditionelle instrumenter, hvilket er begrænsende for bærbare enheder på grund af deres behov for køling.

Den nye teknik virker ved at belyse partikler med både en infrarød laser og en grøn laser. Den infrarøde laser deponerer energi i partiklerne, får dem til at varme op og ekspandere. Det grønne laserlys spredes derefter af disse opvarmede partikler. Et kamera med synlig bølgelængde bruges til at overvåge denne spredning, sporing af fysiske ændringer af de enkelte partikler gennem mikroskopets linse.

Instrumentet kan bruges til at identificere materialesammensætningen af ​​individuelle partikler ved at indstille den infrarøde laser til forskellige bølgelængder og indsamle det synlige spredte lys ved hver bølgelængde. Den lette opvarmning af partiklerne medfører ingen permanente ændringer af materialet, gør teknikken ideel til ikke-destruktiv analyse.

Evnen til at ophidse partikler med infrarødt lys og derefter se på deres spredning med synlige bølgelængder - en proces kaldet fototermisk modulering af Mie -spredning - har været brugt siden 1980'erne. Dette nye værk bruger mere avancerede optiske komponenter til at skabe og detektere Mie-spredningen og er det første, der bruger en billedkonfiguration til at detektere flere arter af partikler.

"Vi forestiller os faktisk det område, vi forhører, sagde Alexander Stolyarov, teknisk personale og en medforfatter af papiret. "Det betyder, at vi samtidigt kan undersøge flere partikler på overfladen på samme tid."

Det nye mikroskops brug af synlige bølgelængder til billeddannelse giver det en rumlig opløsning på omkring 1 mikron, sammenlignet med den omtrent 10-mikrons opløsning af traditionelle infrarøde spektroskopimetoder. Denne øgede opløsning gør det muligt for den nye teknik at skelne og identificere individuelle partikler, der er ekstremt små og tæt sammen.

"Hvis der er to meget forskellige partikler i synsfeltet, vi er i stand til at identificere hver af dem, "sagde Stolyarov." Dette ville aldrig være muligt med en konventionel infrarød teknik, fordi billedet ikke kunne skelnes. "

Kompakt, indstillelig infrarød laser

Udviklingen af ​​kompakte, afstembare kvantekaskade infrarøde lasere var en nøgle, der muliggjorde teknologi til den nye teknik. Forskerne kombinerede en kvantekaskadelaser med en meget stabil synlig laserkilde og et kommercielt tilgængeligt kamera af videnskabelig kvalitet.

"Vi håber at se en forbedring i højeffektsbølgelængdeindstillelige kvantekaskadelasere, "sagde Sullenberger." En mere kraftfuld infrarød laser gør det muligt for os at forhøre større områder på samme tid, tillader flere partikler at blive sonderet samtidigt. "

Forskerne planlægger at teste deres mikroskop på yderligere materialer, herunder partikler, der ikke er kugleformede. De ønsker også at teste deres opsætning i mere realistiske miljøer, der kan indeholde interferenser i form af partikler, der ikke kommer fra kemikaliet af interesse.

"Tilstedeværelsen af ​​forstyrrende stoffer er måske den største udfordring, jeg forventer, vi bliver nødt til at overvinde, " sagde Stolyarov. "Selvom forurening er et problem for enhver teknik, der måler absorption fra små mængder materialer, Jeg tror, ​​at vores teknik kan løse det problem på grund af dens evne til at sondre en partikel ad gangen. "