Ultrafølsom fotonisk krystal registrerer enkelte partikler ned til 50 nanometer

Ved hjælp af en ultrafølsom fotonisk krystal var TU/e-forskere i stand til at detektere enkelte partikler ned til 50 nanometer i diameter. Den nye forskning er netop blevet offentliggjort i tidsskriftet Optica .

Hvad har vulkansk lava, brandrøg, biludstødningsgasser og printertoner til fælles? De er alle kilder til ultrafine partikler – partikler med en diameter på under 100 nanometer, som kan udgøre alvorlige sundhedsrisici, hvis de indåndes.

På grund af deres lille størrelse er ultrafine nanopartikler svære at opdage og måle uden dyrt og til tider omfangsrigt udstyr. For at overvinde disse problemer har vores forskere designet en ny ultrafølsom fiberspidssensor, der kan detektere enkelte partikler med diametre ned til 50 nanometer i størrelse. I fremtiden vil den nye sensor blive brugt i undersøgelser til at kontrollere og evaluere indendørs luftkvalitet på skoler.

Nanopartikler er i høj grad en del af den hverdagsverden, som vi kalder hjem. For eksempel er der i medicinske tests enheder tilgængelige til at kontrollere for nanopartikler som patogener og biomarkører for sygdomme som cancer.

Og i udviklingen af ​​lægemidler bruges et væld af nanopartikler til at lave fremtidens lægemiddelleveringssystemer.

En klasse af nanopartikler, der får masser af opmærksomhed på grund af dens forbindelse med den luft, vi indånder, er den ultrafine partikel (UFP), en partikel med en diameter under 100 nanometer (nm).

Eksponering for UFP'er - som kan findes i røg, udstødningsgasser og endda printertonere - kan have alvorlige sundhedsrisici, især hvis disse partikler indåndes direkte.

"Når UFP'er sætter sig fast i lungerne, kan det udgøre en alvorlig sundhedsrisiko, fordi når de først er i lungerne, kan de absorbere toksiner, som vi kan indånde fra luften omkring os. Som et resultat bliver disse toksiner så i kroppen," siger Arthur Hendriks, ph.d. forsker ved Institut for Anvendt Fysik og Naturfagspædagogik. "Så for at forhindre dette er der brug for nøjagtige måder at detektere UFP'er på for at overvåge indendørs luftkvalitet."

For eksempel er forskning i indendørs luftkvalitet i spidsen for Horizon Europe-projektet LEARN, som søger at kontrollere og evaluere indendørs luftkvalitet på skoler og at vurdere luftkvalitetens indvirkning på børns sundhed, og en del af dette kræver præcise måder. for at detektere UFP'er.

Det lille-store problem

Men det er lettere sagt end gjort at detektere UFP'er, og ironisk nok er detektion af så små partikler afhængig af brugen af ​​stort og dyrt udstyr.

"Stort og dyrt er ikke svaret. Vi har brug for små, kompakte, nøjagtige og billige enheder for at gøre det nemmere at opdage UFP'er på fabrikker, hospitaler, kontorer og skoler," bemærker Hendriks.

Så hvad er state-of-the-art nu så? "Der er sensorer baseret på fiberoptiske teknologier, som kan måle væsker og gasser med god nøjagtighed. Men disse sensorer er ikke egnede til at måle små partikler som UFP'er, og derfor er deres anvendelse begrænset i den forstand," siger Hendriks.

"Lab-on-fiber" teknologier er blevet brugt til at detektere biologiske celler på mikrometerskalaen (1.000 gange større end nanometerskalaen). "Men denne teknologi kan ikke detektere enkelte nanopartikler, der ligner UFP'er i størrelse," siger Hendriks.

En fiberspidsløsning

For at imødekomme efterspørgslen efter en ny UFP-sensorteknologi udviklede Hendriks og hans TU/e-samarbejdspartnere, som omfatter Andrea Fiore - professor ved Institut for Anvendt Fysik og Naturvidenskabelige Uddannelser, en nanofotonisk fiberspidssensor, der er følsom over for små ændringer i miljø omkring sensoren, så meget at den kan detektere en enkelt nanopartikel af samme størrelse som UFP'er.

"Vores sensordesign er lille og kompakt, og vigtigst af alt indikerer det tydeligt, hvornår en detektion har fundet sted," siger Hendriks.

Forskernes sensorarbejde er baseret på en fotonisk krystal, en periodisk eller repeterende struktur, der kan reflektere lys i alle retninger. "En defekt eller fejl føjes derefter til krystallen, som er kendt som et fotonisk krystalhulrum eller PhCC for kort," siger Hendriks.

En PhCC tillader lys at blive fanget i krystallen i en længere periode. Hendriks siger:"I bund og grund er dette noget, vi kalder Q-faktoren, som er et mål for, hvor godt lys kan fanges i defekten over tid. I vores tilfælde er lyset begrænset til et lille volumen, som er under 1 µm ³ . Dette er kendt som tilstandsvolumen, og for at måle små nanopartikler skal dette være meget lille."

Forskerne var i stand til at placere PhCC'en på spidsen af ​​en fiber ved hjælp af en metode udviklet af Andrea Fiores gruppe tilbage i 2020. Når en lillebitte partikel kommer tæt på PhCC'en i krystallen, forstyrrer den hulrummet ved at ændre dets brydningsindeks. "Så den lille partikel ændrer bølgelængden af ​​det fangede lys i hulrummet, og vi måler denne ændring."

Udfordringer

Den største udfordring for forskerne var, at standardhulrum ikke kan udlæses ved hjælp af fibre. Et standardhulrum på en fiber ville ikke have fungeret, da lys fra fiberen ikke vil kobles til hulrummet.

Drømmescenariet for forskerne var at optimere nøglefaktorer i enheden. For det første krævedes en høj Q-faktor for at muliggøre mere nøjagtig sporing af hulrummets bølgelængde. For det andet var der behov for et lille volumen, da dette giver mulighed for påvisning af mindre partikler. For det tredje var en højere koblingseffektivitet en nødvendighed for at sikre, at lys fra fiberen kan kobles til hulrummet og tilbage, hvilket gør det muligt at måle hulrummets bølgelængde gennem fiberen.

For at løse alle disse udfordringer brugte forskerne en metode udviklet af forskere ved Stanford University til at optimere faktorer som Q-faktoren, modevolumen og koblingseffektiviteten på samme tid.

Hidtil følsomhed

"Vores opsætning giver en hidtil uset følsomhed i sammenligning med tidligere teknologier derude," påpeger Hendriks. "Ved at bruge sensoren var vi i stand til i realtid at detektere enkelte UFP'er med diametre så lave som 50 nanometer. Efter min mening er det bare forbløffende."

Næste skridt for Hendriks og hans kolleger er at suspendere hulrummene, så kvalitetsfaktoren og koblingseffektiviteten er endnu højere, hvilket kan resultere i nanofotoniske hulrum med klassens bedste egenskaber, men stadig læselige gennem fiberen.

"Vores tilgang kunne bruges til at detektere endnu mindre partikler. Eller endda i andre applikationer som enkeltfoton-emittere og nano-optomekaniske sensorer," siger Hendriks. "Og en yderligere anvendelse af den nye tilgang kan endda være påvisning af enkelte biologiske molekyler."

Næste op for UFP-sensoren bliver det europæiske projekt LEARN, der har til formål at kontrollere og evaluere luftkvaliteten på skolerne, og det sker i samarbejde med Mikrosystemgruppen på TU/e.

Flere oplysninger: Arthur L. Hendriks et al., Detektion af enkelte nanopartikler ved hjælp af fiberspids nanofotonik, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.516575

Journaloplysninger: Optica

Leveret af Eindhoven University of Technology