Med hjälp av en ultrakänslig fotonisk kristall kunde TU/e-forskare detektera enskilda partiklar ner till 50 nanometer i diameter. Den nya forskningen har precis publicerats i tidskriften Optica .
Vad har vulkanisk lava, brandrök, bilavgaser och skrivartoner gemensamt? De är alla källor till ultrafina partiklar – partiklar med en diameter under 100 nanometer, som kan utgöra allvarliga hälsorisker om de andas in.
På grund av sin ringa storlek är ultrafina nanopartiklar svåra att upptäcka och mäta utan dyr och ibland skrymmande utrustning. För att övervinna dessa problem har våra forskare designat en ny ultrakänslig fiberspetssensor som kan detektera enstaka partiklar med diametrar ner till 50 nanometer i storlek. I framtiden kommer den nya sensorn att användas i studier för att kontrollera och utvärdera inomhusluftens kvalitet på skolor.
Nanopartiklar är mycket en del av den vardagliga värld som vi kallar hem. Vid medicinska tester finns det till exempel enheter för att kontrollera om det finns nanopartiklar som patogener och biomarkörer för sjukdomar som cancer.
Och i läkemedelsutveckling används en mängd nanopartiklar för att skapa framtidens läkemedelsleveranssystem.
En klass av nanopartiklar som får mycket uppmärksamhet på grund av dess koppling till luften som vi andas är den ultrafina partikeln (UFP), en partikel med en diameter under 100 nanometer (nm).
Exponering för UFP – som kan hittas i rök, avgaser och till och med skrivartoner – kan innebära allvarliga hälsorisker, särskilt om dessa partiklar andas in direkt.
"När UFP:er hamnar i lungorna kan det utgöra en allvarlig hälsorisk eftersom de väl i lungorna kan absorbera gifter som vi kan andas in från luften omkring oss. Som ett resultat av detta stannar dessa gifter kvar i kroppen", säger Arthur Hendriks, Ph.D. forskare vid institutionen för tillämpad fysik och naturvetenskaplig utbildning. "Så, för att förhindra detta, behövs noggranna sätt att upptäcka UFP för att övervaka inomhusluftens kvalitet."
Till exempel är forskning om inomhusluftens kvalitet i framkant av Horizon Europe-projektet LEARN, som försöker kontrollera och utvärdera inomhusluftens kvalitet i skolor och att bedöma luftkvalitetens inverkan på barns hälsa, och en del av detta kräver korrekta sätt för att upptäcka UFP.
Men att upptäcka UFP:er är dock lättare sagt än gjort, och ironiskt nog beror detektering av så små partiklar på användningen av stor och dyr utrustning.
"Stora och dyra är inte svaret. Vi behöver små, kompakta, exakta och billiga enheter för att göra det lättare att upptäcka UFP:er i fabriker, sjukhus, kontor och skolor", konstaterar Hendriks.
Så, vad är det för toppmoderna nu då? "Det finns sensorer baserade på fiberoptisk teknik som kan mäta vätskor och gaser med god noggrannhet. Men dessa sensorer är inte lämpliga för att mäta små partiklar som UFP och därför är deras användning begränsad i den meningen", säger Hendriks.
"Lab-on-fiber"-teknologier har använts för att detektera biologiska celler på mikrometerskalan (1 000 gånger större än nanometerskalan). "Men den här tekniken kan inte upptäcka enskilda nanopartiklar som liknar UFP:s storlek", säger Hendriks.
För att möta efterfrågan på en ny UFP-avkänningsteknik utvecklade Hendriks och hans TU/e-medarbetare, som inkluderar Andrea Fiore, professor vid institutionen för tillämpad fysik och naturvetenskap, en nanofotonisk fiberspetssensor som är känslig för små förändringar i miljön runt sensorn, så mycket att den kan detektera en enda nanopartikel av samma storlek som UFP:er.
"Vår sensordesign är liten och kompakt, och viktigast av allt, den indikerar tydligt när en detektering har inträffat", säger Hendriks.
Forskarnas sensorarbete bygger på en fotonisk kristall, en periodisk eller repeterande struktur som kan reflektera ljus i alla riktningar. "En defekt, eller fel, läggs sedan till i kristallen, som är känd som en fotonisk kristallhålighet, eller PhCC för kort", säger Hendriks.
En PhCC tillåter ljus att fångas i kristallen under en längre period. Hendriks säger, "I huvudsak är detta något vi kallar Q-faktorn, som är ett mått på hur väl ljus kan fångas i defekten över tid. I vårt fall är ljuset begränsat till en liten volym, som är under 1 µm 3 . Detta är känt som modvolymen, och för att mäta små nanopartiklar måste den vara väldigt liten."
Forskarna kunde placera PhCC på toppen av en fiber med en metod som utvecklades av Andrea Fiores grupp redan 2020. När en liten partikel kommer nära PhCC i kristallen stör den hålrummet genom att ändra dess brytningsindex. "Så, den lilla partikeln ändrar våglängden för det fångade ljuset i kaviteten, och vi mäter denna förändring."
Den stora utmaningen som forskarna stod inför var att standardhålrum inte kan avläsas med fibrer. En standardkavitet på en fiber skulle inte ha fungerat eftersom ljus från fibern inte kommer att kopplas till kaviteten.
Drömscenariot för forskarna var att optimera nyckelfaktorer i enheten. Först krävdes en hög Q-faktor för att möjliggöra mer exakt spårning av kavitetens våglängd. För det andra behövdes en liten modvolym eftersom detta möjliggör detektering av mindre partiklar. För det tredje var en högre kopplingseffektivitet en nödvändighet för att säkerställa att ljus från fibern kan kopplas till kaviteten och tillbaka, vilket gör det möjligt att mäta kavitetens våglängd genom fibern.
För att lösa alla dessa utmaningar använde forskarna en metod utvecklad av forskare vid Stanford University för att optimera faktorer som Q-faktorn, modvolym och kopplingseffektivitet samtidigt.
"Vår installation ger oöverträffad känslighet i jämförelse med tidigare tekniker där ute", påpekar Hendriks. "Med hjälp av sensorn kunde vi i realtid upptäcka enstaka UFP:er med diametrar så låga som 50 nanometer. Enligt min mening är det bara häpnadsväckande."
Nästa steg för Hendriks och hans kollegor är att suspendera kaviteterna så att kvalitetsfaktorn och kopplingseffektiviteten blir ännu högre, vilket kan resultera i nanofotoniska kaviteter med klassens bästa egenskaper, men ändå läsbara genom fibern.
"Vårt tillvägagångssätt skulle kunna användas för att detektera ännu mindre partiklar. Eller till och med i andra applikationer som enfotonemitter och nano-optomekaniska sensorer", säger Hendriks. "Och en ytterligare tillämpning av det nya tillvägagångssättet kan till och med vara upptäckten av enstaka biologiska molekyler."
Härnäst för UFP-sensorn kommer det europeiska projektet LEARN, som syftar till att kontrollera och utvärdera luftkvaliteten på skolor, och det kommer att göras i samarbete med Microsystems-gruppen på TU/e.
Mer information: Arthur L. Hendriks et al, Detektion av enstaka nanopartiklar med nanofotonik med fiberspets, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.516575
Journalinformation: Optica
Tillhandahålls av Eindhoven University of Technology
