En ny teknik för kontinuerlig övervakning av både storlek och optiska egenskaper hos enskilda luftburna partiklar kan erbjuda ett bättre sätt att övervaka luftföroreningar. Det är särskilt lovande för analys av fina partiklar som mäter mindre än 2,5 mikron (PM2,5), som kan nå djupt in i lungorna och orsaka hälsoproblem.

"Luftföroreningar har blivit ett väsentligt problem i många länder, "sade forskargruppsledaren Shangran Xie från gruppen av Philip Philip Russell vid Max Planck Institute for the Science of Light i Tyskland." Eftersom vår installation är mycket enkel och kompakt, det borde vara möjligt att göra det till en bordsanordning för kontinuerlig övervakning av luftburet PM2.5 i stadsområden och industriområden. "

I tidskriften The Optical Society (OSA) Optik Express , forskarna beskriver hur de använde optiska krafter för att automatiskt fånga upp partiklar i luften och driva dem in i en ihålig kärnfiber för analys. Tillvägagångssättet övervinner flera begränsningar av befintliga metoder genom att erbjuda mycket reproducerbara, realtidsresultat och obegränsad livslängd.

"Det mest unika med vår teknik är att den kan räkna antalet partiklar-vilket är relaterat till föroreningsnivån-samtidigt som den ger detaljerad realtidsinformation om partikelstorleksfördelning och kemisk spridning, "sa Xie." Denna ytterligare information kan vara användbar för snabb och kontinuerlig övervakning av föroreningar i känsliga områden, till exempel."

Fånga partiklar med ljus

För den nya analysmetoden, luftburna partiklar fångas inuti en laserstråle av optiska krafter och drivs framåt av strålningstryck. Fångningskraften är tillräckligt stark för att övervinna gravitationskraften som verkar på mycket små partiklar som PM2.5 och justerar partiklarna automatiskt med en fotokristallfiber med ihålig kärna. Dessa speciella fibrer har en central kärna som är ihålig och omgiven av en glasmikrostruktur som begränsar ljus inuti fibern.

När den väl är inriktad, laserljuset driver partikeln in i fibern, vilket får laserljuset inuti fibern att spridas och skapar en detekterbar minskning av fiberöverföringen. Forskarna utvecklade en ny signalbehandlingsalgoritm för att hämta användbar information från partikelspridningsdata i realtid. Efter upptäckten, partikeln matas helt enkelt ut från fibern utan att försämra anordningen.

"Överföringssignalen från fibern låter oss också mäta flygtid, vilket är den tid som partikeln tar att resa genom fibern, "sa Abhinav Sharma, doktoranden som arbetar med detta projekt. "Minskningen i fiberöverföring tillsammans med information om flygtid gör att vi otvetydigt kan beräkna partikelstorleken och brytningsindexet. Brytningsindexet kan hjälpa till att identifiera partikelmaterialet eftersom denna optiska egenskap redan är känd för de vanligaste föroreningarna."

Precisionsmätningar

Forskarna testade sin teknik med hjälp av polystyren- och kiseldioxidpartiklar av flera olika storlekar. De fann att systemet exakt kunde separera partikeltyper och kunde mäta kiseldioxidpartikeln på 0,99 mikron med en upplösning så liten som 18 nanometer.

Forskarna planerar att testa systemets förmåga att analysera partiklar som är vanligare i atmosfären. De vill också visa teknikens förmåga att utföra mätningar i vätska, vilket skulle vara användbart för övervakning av vattenföroreningar. De har lämnat patent på denna teknik och planerar att fortsätta utveckla prototypenheter, sådana som kan användas för att övervaka luftföroreningar utanför labbet.