Onderzoekers hebben een microscoop ontwikkeld die individuele deeltjes ter grootte van een micron chemisch kan identificeren. De nieuwe aanpak zou ooit op luchthavens of andere zwaarbeveiligde locaties kunnen worden gebruikt als een zeer gevoelige en goedkope manier om mensen snel te screenen op microscopisch kleine hoeveelheden potentieel gevaarlijke materialen.

In het journaal Optica Letters , van The Optical Society (OSA), onderzoekers van het Lincoln Laboratory van het Massachusetts Institute of Technology, VS, demonstreerden hun nieuwe microscoop door infraroodspectra te meten van individuele bollen van 3 micron gemaakt van silica of acryl. De nieuwe techniek maakt gebruik van een eenvoudige optische opstelling die bestaat uit compacte componenten waarmee het instrument kan worden geminiaturiseerd tot een draagbaar apparaat ter grootte van een schoenendoos.

"Het belangrijkste voordeel van onze nieuwe techniek is de zeer gevoelige, maar opmerkelijk eenvoudig ontwerp, " zei Ryan Sullenberger, geassocieerd personeel bij MIT Lincoln Labs en eerste auteur van het artikel. "Het biedt nieuwe mogelijkheden voor niet-destructieve chemische analyse en baant tegelijkertijd de weg naar ultragevoelige en compactere instrumentatie."

Het vermogen van de microscoop om individuele deeltjes te identificeren, zou het nuttig kunnen maken voor snelle detectie van chemische bedreigingen of gereguleerde stoffen. De hoge gevoeligheid is ook ideaal voor wetenschappelijke analyse van zeer kleine monsters of voor het meten van de optische eigenschappen van materialen.

Spectrale vingerafdrukken onderzoeken

Infraroodspectroscopie wordt meestal gebruikt om onbekende materialen te identificeren, omdat bijna elk materiaal kan worden geïdentificeerd door zijn unieke infraroodabsorptiespectrum, of vingerafdruk. De nieuwe methode detecteert deze infraroodvingerafdruk zonder gebruik te maken van infrarooddetectoren. Deze detectoren voegen een aanzienlijk volume toe aan traditionele instrumenten, wat een beperking is voor draagbare apparaten vanwege hun behoefte aan koeling.

De nieuwe techniek werkt door deeltjes te belichten met zowel een infraroodlaser als een groene laser. De infrarood laser deponeert energie in de deeltjes, waardoor ze opwarmen en uitzetten. Het groene laserlicht wordt vervolgens verstrooid door deze verwarmde deeltjes. Een camera met zichtbare golflengte wordt gebruikt om deze verstrooiing te volgen, het volgen van fysieke veranderingen van de individuele deeltjes door de lens van de microscoop.

Het instrument kan worden gebruikt om de materiaalsamenstelling van individuele deeltjes te identificeren door de infraroodlaser af te stemmen op verschillende golflengten en het zichtbare verstrooide licht op elke golflengte te verzamelen. De lichte verhitting van de deeltjes geeft geen blijvende veranderingen aan het materiaal, waardoor de techniek ideaal is voor niet-destructieve analyse.

Het vermogen om deeltjes te exciteren met infrarood licht en vervolgens te kijken naar hun verstrooiing met zichtbare golflengten - een proces dat fotothermische modulatie van Mie-verstrooiing wordt genoemd - wordt sinds de jaren tachtig gebruikt. Dit nieuwe werk maakt gebruik van meer geavanceerde optische componenten om de Mie-verstrooiing te creëren en te detecteren en is het eerste dat een beeldvormende configuratie gebruikt om meerdere soorten deeltjes te detecteren.

"We beelden ons eigenlijk het gebied in dat we ondervragen, " zei Alexander Stolyarov, technisch personeel en een co-auteur van het papier. "Dit betekent dat we tegelijkertijd meerdere deeltjes op het oppervlak kunnen onderzoeken."

Het gebruik van zichtbare golflengten door de nieuwe microscoop voor beeldvorming geeft hem een ​​ruimtelijke resolutie van ongeveer 1 micron, vergeleken met de ongeveer 10 micron resolutie van traditionele infraroodspectroscopiemethoden. Door deze verhoogde resolutie kan de nieuwe techniek afzonderlijke deeltjes onderscheiden en identificeren die extreem klein en dicht bij elkaar liggen.

"Als er twee heel verschillende deeltjes in het gezichtsveld zijn, we kunnen ze allemaal identificeren, " zei Stolyarov. "Dit zou nooit mogelijk zijn met een conventionele infraroodtechniek omdat het beeld niet te onderscheiden zou zijn."

Compact, afstembare infrarood laser

De ontwikkeling van compacte, afstembare kwantumcascade-infraroodlasers waren een sleuteltechnologie voor de nieuwe techniek. De onderzoekers combineerden een kwantumcascadelaser met een zeer stabiele zichtbare laserbron en een commercieel beschikbare camera van wetenschappelijke kwaliteit.

"We hopen een verbetering te zien in krachtige, golflengte-afstembare kwantumcascadelasers, " zei Sullenberger. "Een krachtigere infraroodlaser stelt ons in staat om grotere gebieden in dezelfde tijd te ondervragen, waardoor meer deeltjes tegelijkertijd kunnen worden gesondeerd."

De onderzoekers zijn van plan hun microscoop te testen op extra materialen, inclusief deeltjes die niet bolvormig zijn. Ze willen hun opstelling ook testen in meer realistische omgevingen die interferenties kunnen bevatten in de vorm van deeltjes die niet afkomstig zijn van de chemische stof van belang.

"De aanwezigheid van interferenten is misschien wel de grootste uitdaging die ik verwacht te overwinnen, " zei Stolyarov. "Hoewel contaminatie een probleem is voor elke techniek die de absorptie van kleine hoeveelheden materialen meet, Ik denk dat onze techniek dat probleem kan oplossen vanwege het vermogen om één deeltje tegelijk te onderzoeken."