Ny partikelanalyse teknik baner vej for bedre overvågning af luftforurening

En ny teknik til løbende at overvåge både størrelse og optiske egenskaber for individuelle luftbårne partikler kunne tilbyde en bedre måde at overvåge luftforurening. Det er især lovende til analyse af fine partikler, der måler mindre end 2,5 mikron (PM2,5), som kan nå dybt ind i lungerne og forårsage sundhedsproblemer.

"Luftforurening er blevet et vigtigt problem i mange lande, "sagde forskerteamleder Shangran Xie fra gruppen af ​​Philip Philip Russell ved Max Planck Institute for Science of Light i Tyskland." Da vores setup er meget enkelt og kompakt, det burde være muligt at gøre det til en bordplade til kontinuerlig overvågning af luftbåren PM2.5 i byområder og industriområder. "

I tidsskriftet The Optical Society (OSA) Optik Express , forskerne beskriver, hvordan de brugte optiske kræfter til automatisk at fange partikler i luften og drive dem ind i en hul kernefiber til analyse. Fremgangsmåden overvinder flere begrænsninger ved eksisterende metoder ved at tilbyde meget reproducerbar, resultater i realtid og en ubegrænset levetid på enheden.

"Det mest unikke ved vores teknik er, at den kan tælle antallet af partikler-som er relateret til forureningsniveauet-samtidig med at den giver detaljerede oplysninger i realtid om partikelstørrelsesfordeling og kemisk spredning, "sagde Xie." Disse yderligere oplysninger kan være nyttige til hurtig og kontinuerlig overvågning af forurening i følsomme områder, for eksempel."

Fange partikler med lys

For den nye analysemetode, luftbårne partikler fanges inde i en laserstråle af optiske kræfter og drives fremad af strålingstryk. Indfangningskraften er stærk nok til at overvinde tyngdekraften, der virker på meget små partikler, såsom PM2.5, og justerer automatisk partiklerne med en fotonisk krystalfiber med hul kerner. Disse specielle fibre har en central kerne, der er hul og omgivet af en glasmikrostruktur, der begrænser lys inde i fiberen.

Når den er justeret, laserlyset driver partiklen ind i fiberen, får laserlyset inde i fiberen til at sprede sig og skaber en påviselig reduktion i fibertransmissionen. Forskerne udviklede en ny signalbehandlingsalgoritme til at hente nyttig information fra partikelspredningsdataene i realtid. Efter afsløring, partiklen skubber simpelthen ud af fiberen uden at nedbryde enheden.

"Transmissionssignalet fra fiberen lader os også måle flyvetid, hvilket er den tid, partiklen tager at rejse gennem fiberen, "sagde Abhinav Sharma, doktoranden, der arbejder på dette projekt. "Faldet i fibertransmission sammen med information om flyvetid giver os mulighed for utvetydigt at beregne partikelstørrelsen og brydningsindekset. Brydningsindekset kan hjælpe med at identificere partikelmaterialet, fordi denne optiske egenskab allerede er kendt for de fleste almindelige forurenende stoffer."

Præcisionsmålinger

Forskerne testede deres teknik ved hjælp af polystyren- og silica -partikler i flere forskellige størrelser. De fandt ud af, at systemet præcist kunne adskille partikeltyper og kunne måle silikapartiklen på 0,99 mikron med en opløsning så lille som 18 nanometer.

Forskerne planlægger at teste systemets evne til at analysere partikler, som mere almindeligt findes i atmosfæren. De vil også demonstrere teknikkens evne til at udføre målinger i væske, hvilket ville være nyttigt til overvågning af vandforurening. De har indgivet patent på denne teknik og planlægger at fortsætte med at udvikle prototype -enheder, såsom dem, der kan bruges til at overvåge luftforurening uden for laboratoriet.