Nyt optisk størrelsesspektrometer til sondering af atmosfæriske partikler

Det globale miljø lider af luftforurening på grund af for store partikler, resulterer i enorme samfundsmæssige og økonomiske omkostninger. Luftkvaliteten er normalt karakteriseret ved massekoncentrationen af ​​fine partikler med aerodynamiske diametre mindre end 2,5 µm (PM2,5), som hovedsageligt bidrages med partikler i mikronstørrelse, der henviser til, at faren forårsaget af ultrafine partikler (med diametre mindre end hundredvis af nanometer) fortsat er alvorligt undervurderet. Ud over deres massefordeling, størrelsesfordelingen af ​​luftbårne partikler får stadig større betydning for vurderingen af ​​luftfare.

Et team ledet af professor Xiao Yun-Feng ved Peking University foreslår og demonstrerer en lavprofil, høj nøjagtighed, hulfri, og real-time størrelse sonderingssystem, der arbejder i et åbent miljø ved hjælp af en nanowaveguide-arraystruktur med et stærkt flygtigt felt. Dette værk er blevet offentliggjort online i Lys:Videnskab og applikationer .

Ultrafine partikler menes at have endnu mere aggressive sundhedsmæssige konsekvenser end større partikler, fordi de kan komme ind i lungerne, forårsager lungekræft, og kan yderligere trænge ind i luft-blodbarrieren, invaderer cirkulationssystemet og resulterer i luftvejssygdomme og endda organ dysfunktion. En artikel omtalt i Videnskab understreger, at indånding af ultrafine luftbårne forurenende stoffer kan angribe hjernen og endda øge risikoen for Alzheimers sygdom og andre former for demens. Derfor, der bør lægges større vægt på de ultrafine partikler, og deres størrelsesfordelinger. Sammenlignet med de konventionelle aerosolanalyseteknikker til måling af størrelsesfordelinger af partikler, de optiske metoder viser et stort potentiale for måling af størrelsesfordelingen af ​​partikler på grund af deres ikke-destruktive karakter, elektromagnetisk støjimmunitet, og real-time in situ-detektionsevne.

De typiske optiske metoder til måling af størrelsen af ​​nanopartikler anvender hovedsageligt absorptions- eller spredningsmetoder. Imidlertid, absorptionsmetoderne gælder kun for tabsgivende mål, mens de konventionelle spredningsmetoder, der anvender ledigt laserlys, skal betjenes i et lukket hulrum for at undgå forstyrrelser fra omgivelseslys, hvilket gør systemet ret kompliceret. De nyligt udviklede optiske mikrokavitetsfølersystemer ved hjælp af spredningsmetoder har fjernet kravet til et lukket hulrum og opnået en hidtil uset lav detektionsgrænse. Imidlertid, mikrokavitetsbaseret dimensionering kræver typisk en afstembar laserkilde og streng kontrol med nærfeltkobling.

I publikationen forskerne udviklede et hulrumsfrit størrelsesspektrometer til sondering af fine og ultrafine partikler uden behov for en afstembar laser og nærfeltkoblingskontrol. "Enheden anvender den forbedrede partikelforstyrrede spredning i stærke optiske flygtige felter, og sonderingskomponenten er et serpentinmønstret nanofiber -array. Analyttens størrelsesinformation læses op ved at overvåge effektfaldene af det transmitterede lys på grund af nanopartikelinduceret spredning. En størrelsesopløsning på 10 nm opnås for standard-polystyren (PS) nanopartikler med 100 nm diameter ved at optimere sondelysets polarisationer. "Sagde Dr. Yu Xiao-Chong, en postdoktor ved Peking University, og den første forfatter til dette værk.

Værket fremhæver størrelsesspektrometeret ved at undersøge udviklingen af ​​atmosfæriske partikler i vinteren 2015 og 2016. Når de luftbårne partikler strømmer ind på nanowaveguiden, den transmitterede lysstyrke afhænger stærkt af partikelstørrelsen, og dermed kan størrelsesfordelingerne opnås i realtid. Udviklingen af ​​partikeldiametrene i Beijing-atmosfæren overvåges med et trin på 20 nm. Ved hjælp af det gennemsnitlige brydningsindeks og tætheden af ​​partiklerne, udviklingen af ​​størrelsesfordelingen er klar til at blive konverteret til massefordelingen. Tendensen i udviklingen af ​​de eksperimentelle PM1.0 -resultater stemmer overens med udviklingen i de officielle PM2.5 -data, validering af størrelsesspektrometerets størrelse.

"Bortset fra massefordelingerne, størrelsesfordelingen er vigtigere, fordi partikler med diametre på hundredvis af nanometer kan forårsage irreversibel skade på organer, men de konventionelle PM2.5-data bidrages hovedsageligt af større partikler. "sagde professor Qiu Cheng-Wei, samarbejdspartneren ved National University of Singapore. "Det udviklede størrelsesspektrometer er bedre end at overvåge mindre partikler og har vist en detektionsgrænse på 100 nm. Denne enhed kan ikke kun anvendes til vurdering af luftkvaliteten, men kan også finde applikationer i brancher, hvor størrelsen af ​​nanopartikler skal spores, "sagde professor Xiao.