Het wereldwijde milieu lijdt onder luchtvervuiling door een teveel aan fijnstof, met enorme maatschappelijke en economische kosten tot gevolg. Luchtkwaliteit wordt meestal gekenmerkt door de massaconcentratie van fijn stof met aerodynamische diameters kleiner dan 2,5 µm (PM2,5), die voornamelijk wordt bijgedragen door deeltjes ter grootte van een micron, overwegende dat het gevaar dat wordt veroorzaakt door ultrafijne deeltjes (met een diameter kleiner dan honderden nanometers) ernstig wordt onderschat. Naast hun massadistributie, de grootteverdelingen van zwevende deeltjes worden steeds belangrijker voor de evaluatie van luchtgevaren.

Een team onder leiding van professor Xiao Yun-Feng van de Universiteit van Peking stelt een onopvallend, hoge nauwkeurigheid, holtevrij, en een real-time meetsysteem dat werkt in een open omgeving met behulp van een nanowaveguide-arraystructuur met een sterk verdwijnend veld. Dit werk is online gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen .

Van ultrafijne deeltjes wordt aangenomen dat ze nog agressievere gevolgen voor de gezondheid hebben dan grotere deeltjes, omdat ze de longen kunnen binnendringen, longkanker veroorzaken, en verder kan doordringen in de lucht-bloedbarrière, het circulatiesysteem binnendringen en resulteren in aandoeningen van de luchtwegen en zelfs orgaandisfunctie. Een artikel in Wetenschap benadrukt dat het inademen van ultrafijne verontreinigende stoffen in de lucht de hersenen kan aantasten en zelfs het risico op de ziekte van Alzheimer en andere vormen van dementie kan vergroten. Daarom, er moet meer aandacht worden besteed aan de ultrafijne deeltjes, en hun grootteverdeling. Vergeleken met de conventionele aërosolanalysetechnieken voor het meten van de grootteverdelingen van fijnstof, de optische methoden laten vanwege hun niet-destructieve aard een groot potentieel zien voor het meten van de grootteverdelingen van fijnstof, elektromagnetische ruis immuniteit, en real-time in-situ detectiemogelijkheden.

De typische optische methoden voor het meten van de grootte van nanodeeltjes maken voornamelijk gebruik van absorptie- of verstrooiingsmethoden. Echter, de absorptiemethoden zijn alleen van toepassing op verliesgevende doelen, terwijl de conventionele verstrooiingsmethoden die laserlicht uit de vrije ruimte gebruiken, in een gesloten holte moeten worden gebruikt om verstoring door omgevingslicht te voorkomen, waardoor het systeem nogal ingewikkeld wordt. De recent ontwikkelde optische microcaviteitsdetectiesystemen die gebruik maken van verstrooiingsmethoden hebben de vereiste voor een gesloten holte weggenomen en een ongekend lage detectielimiet bereikt. Echter, Op microcavity gebaseerde dimensionering vereist typisch een afstembare laserbron en de strikte controle van near-field-koppeling.

In de publicatie, de onderzoekers ontwikkelden een holtevrije spectrometer voor het onderzoeken van fijne en ultrafijne deeltjes zonder de noodzaak van een afstembare laser en near-field koppelingsregeling. "Het apparaat maakt gebruik van de verbeterde door deeltjes verstoorde verstrooiing in sterke optische verdwijnende velden, en de sondeercomponent is een serpentinepatroon van nanovezels. De informatie over de grootte van de analyt wordt uitgelezen door de vermogensdalingen van het doorgelaten licht als gevolg van de door nanodeeltjes veroorzaakte verstrooiing te volgen. Een grootteresolutie van 10 nm wordt bereikt voor standaard polystyreen (PS) nanodeeltjes met een diameter van 100 nm door de polarisaties van het sondelicht te optimaliseren, "zei Dr. Yu Xiao-Chong, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Peking, en de eerste auteur van dit werk.

Het werk belicht de groottespectrometer door de evolutie van atmosferische deeltjes in de winter van 2015 en 2016 te onderzoeken. Wanneer de deeltjes in de lucht op de nanogolfgeleider stromen, het doorvallend lichtvermogen is sterk afhankelijk van de deeltjesgrootte, en dus kunnen de grootteverdelingen in realtime worden verkregen. De evolutie van de deeltjesdiameters in de atmosfeer van Peking wordt gevolgd met een stap van 20 nm. Met behulp van de gemiddelde brekingsindex en dichtheid van de deeltjes, de evolutie van de grootteverdeling is klaar om omgezet te worden naar die van de massaverdeling. De trend in de evolutie van de experimentele PM1.0-resultaten komt overeen met die van de officiële PM2.5-gegevens, het valideren van de dimensioneringscapaciteit van de groottespectrometer.

"Behalve de massadistributies, de grootteverdelingen zijn belangrijker, omdat deeltjes met een diameter van honderden nanometers onomkeerbare schade aan organen kunnen veroorzaken, maar de conventionele PM2.5-gegevens worden voornamelijk geleverd door grotere deeltjes." zei professor Qiu Cheng-Wei, de medewerker van de National University of Singapore. "De ontwikkelde spectrometer is superieur aan het monitoren van kleinere deeltjes en heeft een detectielimiet van 100 nm laten zien. Dit apparaat kan niet alleen worden toegepast bij het beoordelen van de luchtkwaliteit, maar kan ook toepassingen vinden in industrieën waar de grootte van nanodeeltjes moet worden gevolgd, " zei professor Xiao.