Nanofotonische glasvezelsensor-oplossing om het ultrakleine te detecteren
Met behulp van een ultragevoelig fotonisch kristal konden 果冻传媒-onderzoekers afzonderlijke deeltjes detecteren met een diameter van slechts 50 nanometer. Het nieuwe onderzoek is zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Optica.
Wat hebben vulkanische lava, brandrook, uitlaatgassen van auto's en printerinkt met elkaar gemeen? Ze zijn allemaal bronnen van ultrafijnstof 鈥� deeltjes met een diameter onder de 100 nanometer, die ernstige gezondheidsrisico's kunnen veroorzaken bij inademing. Vanwege hun kleine omvang zijn ultrafijne nanodeeltjes moeilijk te detecteren en te meten zonder dure en soms omvangrijke apparatuur. Om deze uitdagingen aan te gaan, hebben onze onderzoekers een nieuwe ultragevoelige glasvezelsensor ontwikkeld die afzonderlijke deeltjes met een diameter tot 50 nanometer kan detecteren. In de toekomst zal deze nieuwe sensor worden ingezet bij onderzoeken naar het controleren en evalueren van de luchtkwaliteit in scholen.
Nanodeeltjes maken deel uit van de dagelijkse wereld waarin we leven. Bij medische tests zijn er bijvoorbeeld apparaten beschikbaar om te controleren op nanodeeltjes zoals ziekteverwekkers en biomarkers voor ziekten zoals kanker. En bij de ontwikkeling van medicijnen wordt een scala aan nanodeeltjes gebruikt om de medicijnafgiftesystemen van de toekomst te cre毛ren.
Een klasse van nanodeeltjes die steeds meer aandacht krijgt vanwege hun verband met de lucht die we inademen, is ultrafijnstof (ultrafine particle, UFP), een deeltje met een diameter onder de 100 nanometer (nm).
Blootstelling aan UFP鈥檚 鈥� die gevonden kunnen worden in rook, uitlaatgassen en zelfs printertoners 鈥� kan ernstige gezondheidsrisico鈥檚 met zich meebrengen, vooral als deze deeltjes direct ingeademd worden.
鈥淎ls UFP鈥檚 in de longen terechtkomen, kan dat een ernstig gezondheidsrisico vormen, omdat ze, eenmaal in de longen, giftige stoffen kunnen opnemen die we inademen uit de lucht om ons heen. Als gevolg daarvan blijven die giftige stoffen in het lichaam achter,鈥� zegt Arthur Hendriks, promovendus aan de faculteit: Applied Physics and Science 果冻传媒. 鈥淥m dit te helpen voorkomen, zijn er nauwkeurige manieren nodig om UFP鈥檚 te detecteren en zo de luchtkwaliteit te monitoren.鈥�
Onderzoek naar de binnenluchtkwaliteit staat bijvoorbeeld centraal in het , dat de kwaliteit van de lucht in scholen wil controleren en evalueren, en de impact van de luchtkwaliteit op de gezondheid van kinderen wil beoordelen. Een onderdeel hiervan is het nauwkeurig detecteren van UFP鈥檚.
Het kleine-grote probleem
Maar het detecteren van UFP鈥檚 is gemakkelijker gezegd dan gedaan en ironisch genoeg is de detectie van zulke kleine deeltjes afhankelijk van het gebruik van grote en dure apparatuur.
鈥淕root en duur is niet het antwoord. We hebben kleine, compacte, nauwkeurige en goedkope apparaten nodig om het gemakkelijker te maken om UFP鈥檚 te detecteren in fabrieken, ziekenhuizen, kantoren en scholen,鈥� merkt Hendriks op.
Wat is nu de nieuwste stand van zaken? 鈥淓r zijn sensoren op basis van glasvezeltechnologie毛n die vloeistoffen en gassen met een goede nauwkeurigheid kunnen meten. Maar deze sensoren zijn niet geschikt voor het meten van kleine deeltjes zoals UFP鈥檚 en dus is hun toepassing in die zin beperkt,鈥� zegt Hendriks. 鈥楲ab-on-fiber鈥� technologie毛n zijn gebruikt om biologische cellen op micrometerschaal (1000 keer groter dan de nanometerschaal) te detecteren. 鈥淢aar deze technologie kan geen afzonderlijke nanodeeltjes detecteren die even groot zijn als UFP鈥檚,鈥� aldus Hendriks.
Een glasvezelsensor-oplossing
Om aan de vraag naar nieuwe UFP-detectietechnologie te voldoen, ontwikkelden Hendriks en zijn 果冻传媒-collega鈥檚, onder wie Andrea Fiore - hoogleraar aan de faculteit van Applied Physics and Science 果冻传媒 鈥� een nanofotonische sensor die gevoelig is voor minuscule veranderingen in de omgeving rond de sensor, zozeer zelfs dat het een enkel nanodeeltje van dezelfde grootte als 茅茅n UFP kan detecteren. De sensor is gebaseerd op een halfgeleider chip, die op het topje van de glasvezel geplaats wordt.
鈥淥ns sensorontwerp is klein en compact en, nog belangrijker, het geeft duidelijk aan wanneer er een detectie heeft plaatsgevonden,鈥� zegt Hendriks.
Het sensorwerk van de onderzoekers is gebaseerd op een fotonisch kristal, een periodieke structuur die licht in alle richtingen kan reflecteren. 鈥淰ervolgens wordt een defect, of een onregelmatigheid, toegevoegd aan het kristal, dat bekend staat als een 鈥榩hotonic crystal cavity鈥� [fotonische kristalholte], kortweg PhCC,鈥� zegt Hendriks.
Een PhCC zorgt ervoor dat licht voor langere tijd in het kristal gevangen kan blijven. Hendriks: 鈥淚n essentie noemen we dit de Q-factor, een maatstaf voor hoe goed licht in de loop van de tijd in het defect kan worden opgevangen. In ons geval wordt het licht opgesloten in een heel klein volume, dat kleiner is dan 1 碌m3. Dit staat bekend als het modusvolume, en dit moet heel klein zijn om minuscule nanodeeltjes te meten.鈥�
De onderzoekers waren in staat om de PhCC op het topje van de vezel te plaatsen met behulp van een methode die door de groep van Andrea Fiore is ontwikkeld. Wanneer een klein deeltje in de buurt komt van de PhCC in het kristal, verstoort het de holte door de brekingsindex te veranderen. 鈥淗et kleine deeltje verandert dus de golflengte van de holte, en we meten deze verandering.鈥�
Uitdagingen
De grootste uitdaging voor de onderzoekers was dat standaardholtes niet kunnen worden uitgelezen met behulp van glasvezel. Een standaardholte op een vezel zou niet hebben gewerkt omdat het licht van de vezel niet koppelt met de holte.
Het droomscenario voor de onderzoekers was het optimaliseren van sleutelfactoren in het apparaat. Ten eerste was een hoge Q-factor nodig om de golflengte van de holte nauwkeuriger te kunnen volgen. Ten tweede was een klein modusvolume nodig om kleinere deeltjes te kunnen detecteren. Ten derde was een hogere koppelingseffici毛ntie noodzakelijk om ervoor te zorgen dat licht van de vezel naar de holte en terug kan koppelen, waardoor het mogelijk wordt om de golflengte van de holte door de vezel heen te meten.
Om al deze uitdagingen op te lossen, gebruikten de onderzoekers een methode die was ontwikkeld door onderzoekers van Stanford University om factoren zoals de Q-factor, het modusvolume en de koppelingseffici毛ntie tegelijkertijd te optimaliseren.
Ongekende gevoeligheid
鈥淥nze opzet biedt een ongekende gevoeligheid in vergelijking met eerdere technologie毛n,鈥� noteert Hendriks. 鈥淢et behulp van de sensor konden we in real time afzonderlijke UFP鈥檚 detecteren met diameters van wel 50 nanometer. Naar mijn mening is dat gewoon verbazingwekkend!鈥�
De volgende stap voor Hendriks en zijn collega鈥檚 is om de holtes op te hangen, zodat de kwaliteitsfactor en de koppelingseffici毛ntie nog hoger worden. Dit zou kunnen resulteren in nanofotonische holtes met eersteklas eigenschappen, maar die nog steeds uitleesbaar zijn via de glasvezel.
鈥淥nze benadering zou gebruikt kunnen worden om nog kleinere deeltjes te detecteren. Of zelfs in andere toepassingen zoals single-foton emitters en nano-optomechanische sensoren,鈥� zegt Hendriks. 鈥淓n een extra toepassing van de nieuwe benadering zou zelfs de detectie van enkelvoudige biologische moleculen kunnen zijn.鈥�
De volgende stap voor de UFP-sensor is het Europese project LEARN, dat zich richt op het controleren en evalueren van de luchtkwaliteit op scholen. Dit zal gebeuren in samenwerking met de Microsystems-groep van de 果冻传媒. De collega鈥檚 van Hendriks zijn van plan om verder te werken aan de sensor en deze te testen als onderdeel van het LEARN-project.
Meer informatie
Lees het volledige artikel 鈥淒etecting single nanoparticles Using fiber-tip nanophotonics'.
Mediacontact
Het laatste nieuws
