Forskare har utvecklat ett mikroskop som kemiskt kan identifiera enskilda partiklar i mikronstorlek. Det nya tillvägagångssättet kan en dag användas på flygplatser eller andra platser med hög säkerhet som ett mycket känsligt och billigt sätt att snabbt screena människor för mikroskopiska mängder potentiellt farliga material.

I journalen Optikbokstäver , från The Optical Society (OSA), forskare från Massachusetts Institute of Technology Lincoln Laboratory, USA, visat sitt nya mikroskop genom att mäta infraröda spektra för enskilda 3-mikron sfärer gjorda av kiseldioxid eller akryl. Den nya tekniken använder en enkel optisk installation som består av kompakta komponenter som gör att instrumentet kan miniatyriseras till en bärbar enhet som är ungefär lika stor som en skokartong.

"Den viktigaste fördelen med vår nya teknik är dess mycket känsliga, men anmärkningsvärt enkel design, "sa Ryan Sullenberger, associerad personal vid MIT Lincoln Labs och första författare till tidningen. "Det ger nya möjligheter för icke-destruktiv kemisk analys samtidigt som det banar väg mot ultrakänslig och mer kompakt instrumentering."

Mikroskopets förmåga att identifiera enskilda partiklar kan göra det användbart för snabb upptäckt av kemiska hot eller kontrollerade ämnen. Dess höga känslighet är också idealisk för vetenskaplig analys av mycket små prover eller för att mäta materialets optiska egenskaper.

Söker spektrala fingeravtryck

Infraröd spektroskopi används vanligtvis för att identifiera okända material eftersom nästan alla material kan identifieras med dess unika infraröda absorptionsspektrum, eller fingeravtryck. Den nya metoden upptäcker detta infraröda fingeravtryck utan att använda infraröda detektorer. Dessa detektorer tillför betydande bulk till traditionella instrument som är begränsande för bärbara enheter på grund av deras krav på kylning.

Den nya tekniken fungerar genom att belysa partiklar med både en infraröd laser och en grön laser. Den infraröda lasern avsätter energi i partiklarna, får dem att värmas upp och expandera. Det gröna laserljuset sprids sedan av dessa upphettade partiklar. En kamera med synlig våglängd används för att övervaka denna spridning, spåra fysiska förändringar av de enskilda partiklarna genom mikroskopets lins.

Instrumentet kan användas för att identifiera materialkompositionen för enskilda partiklar genom att ställa in den infraröda lasern till olika våglängder och samla det synliga spridda ljuset vid varje våglängd. Den svaga uppvärmningen av partiklarna ger inga permanenta förändringar av materialet, vilket gör tekniken idealisk för icke-destruktiv analys.

Möjligheten att excitera partiklar med infrarött ljus och sedan titta på deras spridning med synliga våglängder - en process som kallas fototermisk modulering av Mie -spridning - har använts sedan 1980 -talet. Detta nya arbete använder mer avancerade optiska komponenter för att skapa och detektera Mie -spridningen och är det första som använder en bildkonfiguration för att detektera flera partiklar.

"Vi avbildar faktiskt området som vi förhör, sa Alexander Stolyarov, teknisk personal och en medförfattare till tidningen. "Det betyder att vi samtidigt kan sondra flera partiklar på ytan samtidigt."

Det nya mikroskopets användning av synliga våglängder för avbildning ger den en rumslig upplösning på cirka 1 mikron, jämfört med ungefär 10 mikron upplösning för traditionella infraröda spektroskopimetoder. Denna ökade upplösning gör att den nya tekniken kan skilja och identifiera enskilda partiklar som är extremt små och nära varandra.

"Om det finns två mycket olika partiklar i synfältet, vi kan identifiera var och en av dem, "sa Stolyarov." Detta skulle aldrig vara möjligt med en konventionell infraröd teknik eftersom bilden skulle vara oskiljbar. "

Kompakt, avstämbar infraröd laser

Utvecklingen av kompakta, avstämbara kvantkaskad infraröda lasrar var en nyckelaktiverande teknik för den nya tekniken. Forskarna kombinerade en kvantkaskadlaser med en mycket stabil synlig laserkälla och en kommersiellt tillgänglig kamera av vetenskaplig kvalitet.

"Vi hoppas kunna se en förbättring av högeffektsvåglängdsinställbara kvantkaskadlasrar, "sa Sullenberger." En kraftfullare infraröd laser gör att vi kan utforska större områden på samma tid, så att fler partiklar kan sonderas samtidigt. "

Forskarna planerar att testa sitt mikroskop på ytterligare material, inklusive partiklar som inte är sfäriska i formen. De vill också testa sin installation i mer realistiska miljöer som kan innehålla interferenser i form av partiklar som inte kommer från kemikalien av intresse.

"Närvaron av interferenter är kanske den största utmaningen jag förväntar oss att vi kommer att behöva övervinna, "sa Stolyarov." Även om kontaminering är ett problem för varje teknik som mäter absorption från små mängder material, Jag tror att vår teknik kan lösa det problemet på grund av dess förmåga att sondera en partikel i taget. "