Een nieuwe techniek voor het continu monitoren van zowel de grootte als de optische eigenschappen van individuele deeltjes in de lucht zou een betere manier kunnen zijn om luchtvervuiling te monitoren. Het is vooral veelbelovend voor het analyseren van fijnstof van minder dan 2,5 micron (PM2,5), die tot diep in de longen kunnen doordringen en gezondheidsproblemen kunnen veroorzaken.

"Luchtvervuiling is in veel landen een essentieel probleem geworden, " zei onderzoeksteamleider Shangran Xie van de groep van Prof. Philip Russell van het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht in Duitsland. "Omdat onze opstelling heel eenvoudig en compact is, het moet mogelijk zijn om er een tafelmodel van te maken voor het continu monitoren van PM2.5 in de lucht in stedelijke gebieden en industriële locaties."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , de onderzoekers beschrijven hoe ze optische krachten gebruikten om automatisch deeltjes in de lucht op te vangen en ze in een holle kernvezel voort te stuwen voor analyse. De aanpak overwint verschillende beperkingen van bestaande methoden door zeer reproduceerbare, realtime resultaten en een onbeperkte levensduur van het apparaat.

"Het meest unieke kenmerk van onze techniek is dat het het aantal deeltjes kan tellen - dat gerelateerd is aan het niveau van vervuiling - en tegelijkertijd gedetailleerde realtime informatie geeft over deeltjesgrootteverdeling en chemische dispersie, " zei Xie. "Deze aanvullende informatie kan nuttig zijn voor snelle en continue monitoring van vervuiling in gevoelige gebieden, bijvoorbeeld."

Deeltjes vangen met licht

Voor de nieuwe analysebenadering deeltjes in de lucht worden gevangen in een laserstraal door optische krachten en voortgestuwd door stralingsdruk. De vangkracht is sterk genoeg om de zwaartekracht te overwinnen die op zeer kleine deeltjes zoals PM2.5 inwerkt, en lijnt de deeltjes automatisch uit met een fotonische kristalvezel met holle kern. Deze speciale vezels hebben een centrale kern die hol is en omgeven door een glazen microstructuur die het licht in de vezel opsluit.

Eenmaal uitgelijnd, het laserlicht stuwt het deeltje de vezel in, waardoor het laserlicht in de vezel wordt verstrooid en een waarneembare vermindering van de vezeltransmissie wordt gecreëerd. De onderzoekers ontwikkelden een nieuw signaalverwerkingsalgoritme om in realtime nuttige informatie uit de deeltjesverstrooiingsgegevens te halen. Na detectie, het deeltje wordt eenvoudig uit de vezel geworpen zonder het apparaat aan te tasten.

"Het transmissiesignaal van de vezel stelt ons ook in staat de vluchttijd te meten, dat is de tijd die het deeltje nodig heeft om door de vezel te reizen, " zei Abhinav Sharma, de doctoraatsstudent die aan dit project werkt. "De daling van de vezeltransmissie samen met de vluchttijdinformatie stellen ons in staat om de deeltjesgrootte en brekingsindex ondubbelzinnig te berekenen. De brekingsindex kan helpen bij het identificeren van het deeltjesmateriaal, omdat deze optische eigenschap al bekend is voor de meest voorkomende verontreinigende stoffen."

Precisie metingen

De onderzoekers testten hun techniek met polystyreen en silicadeeltjes van verschillende groottes. Ze ontdekten dat het systeem deeltjestypes nauwkeurig kon scheiden en het 0,99-micron silicadeeltje kon meten met een resolutie van slechts 18 nanometer.

De onderzoekers zijn van plan om het vermogen van het systeem te testen om deeltjes te analyseren die vaker in de atmosfeer worden aangetroffen. Ze willen ook het vermogen van de techniek demonstreren om metingen uit te voeren in vloeistof, die nuttig zou zijn voor de monitoring van waterverontreiniging. Ze hebben een patent aangevraagd op deze techniek en zijn van plan om prototype-apparaten te blijven ontwikkelen, zoals die kunnen worden gebruikt om luchtvervuiling buiten het laboratorium te monitoren.