Den globala miljön lider av luftföroreningar på grund av överskott av partiklar, vilket resulterar i enorma samhälleliga och ekonomiska kostnader. Luftkvaliteten kännetecknas vanligtvis av masskoncentrationen av fina partiklar med aerodynamiska diametrar mindre än 2,5 µm (PM2,5), som huvudsakligen bidrar med mikronstora partiklar, Faran som orsakas av ultrafina partiklar (med diametrar mindre än hundratals nanometer) är fortfarande allvarligt underskattad. Förutom deras massfördelning, storleksfördelningen av luftburna partiklar blir allt viktigare för utvärderingen av luftrisker.

Ett team ledd av professor Xiao Yun-Feng vid Pekings universitet föreslår och visar en låg profil, Hög precision, hålrumsfri, och avkänningssystem i realtid som arbetar i en öppen miljö med hjälp av en nanowaveguide-arraystruktur med ett starkt evanescent fält. Detta arbete har publicerats online i Ljus:Vetenskap och tillämpningar .

Ultrafina partiklar tros ha ännu mer aggressiva hälsoeffekter än större partiklar, eftersom de kan komma in i lungorna, orsakar lungcancer, och kan ytterligare penetrera luft-blodbarriären, invaderar cirkulationssystemet och resulterar i luftvägssjukdomar och till och med organdysfunktion. En artikel med i Vetenskap Parlamentet betonar att inandning av ultrafina luftburna föroreningar kan angripa hjärnan och till och med öka riskerna för Alzheimers sjukdom och andra former av demens. Därför, mer uppmärksamhet bör ägnas åt de ultrafina partiklarna, och deras storleksfördelningar. Jämfört med konventionella aerosolanalystekniker för att mäta storleksfördelningen av partiklar, de optiska metoderna visar stor potential för att mäta storleksfördelningarna av partiklar på grund av deras oförstörande natur, immunitet mot elektromagnetiskt brus, och möjlighet att detektera på plats i realtid.

De typiska optiska metoderna för att mäta storleken på nanopartiklar använder huvudsakligen absorption eller spridningsmetoder. Dock, absorptionsmetoderna är endast tillämpliga för förlustbringande mål, medan de konventionella spridningsmetoderna som använder laserljus från fritt utrymme måste drivas i ett slutet hålrum för att undvika störningar från miljöljus, vilket gör systemet ganska komplicerat. De nyligen utvecklade optiska mikrokavitetsavkänningssystemen som använder spridningsmetoder har tagit bort kravet på en stängd kavitet och uppnått en aldrig tidigare skådad låg detektionsgräns. Dock, mikrokavitetsbaserad dimensionering kräver vanligtvis en avstämbar laserkälla och strikt kontroll av närfältskoppling.

I publikationen, forskarna utvecklade en hålighetsfri storleksspektrometer för att sondera fina och ultrafina partiklar utan behov av en avstämbar laser- och närfältskopplingskontroll. "Enheten använder den förbättrade partikelstörda spridningen i starka optiska evanescenta fält, och sonderingskomponenten är en serpentinmönstrad nanofiberuppsättning. Storleksinformationen för analyten läses ut genom att övervaka effektfallen för det transmitterade ljuset på grund av spridningen som induceras av nanopartiklar. En storleksupplösning på 10 nm uppnås för nanopartiklar av standardpolystyren (PS) med en diameter på 100 nm genom att optimera polariseringarna av sondljuset." sa Dr. Yu Xiao-Chong, en postdoktor vid Pekings universitet, och den första författaren till detta verk.

Arbetet belyser storleksspektrometern genom att undersöka utvecklingen av atmosfäriska partiklar under vintern 2015 och 2016. När de luftburna partiklarna strömmar ut på nanovågledaren, den transmitterade ljusstyrkan beror starkt på partikelstorleken, och därmed kan storleksfördelningarna erhållas i realtid. Utvecklingen av partikeldiametrarna i Beijing-atmosfären övervakas med ett 20-nm-steg. Med hjälp av det genomsnittliga brytningsindexet och densiteten för partiklarna, Utvecklingen av storleksfördelningen är redo att omvandlas till massfördelningens. Trenden i utvecklingen av de experimentella PM1.0-resultaten överensstämmer med den för de officiella PM2.5-data, validerar storleksspektrometerns dimensioneringsförmåga.

"Förutom massdistributionerna, storleksfördelningarna är viktigare, eftersom partiklar med diametrar på hundratals nanometer kan orsaka irreversibel skada på organ, men den konventionella PM2.5-datan är huvudsakligen tillförd av större partiklar, säger professor Qiu Cheng-Wei, samarbetspartnern vid National University of Singapore. "Den utvecklade storleksspektrometern är överlägsen att övervaka mindre partiklar och har visat en detektionsgräns på 100 nm. Denna enhet kan inte bara användas för att utvärdera luftkvaliteten, men kan också hitta tillämpningar i industrier där storleken på nanopartiklar måste spåras, sa professor Xiao.