Met behulp van een ultragevoelig fotonisch kristal konden TU/e-onderzoekers losse deeltjes met een diameter tot 50 nanometer detecteren. Het nieuwe onderzoek is zojuist gepubliceerd in het tijdschrift Optica .

Wat hebben vulkanische lava, brandrook, uitlaatgassen van auto's en printertoner met elkaar gemeen? Het zijn allemaal bronnen van ultrafijne deeltjes:deeltjes met een diameter van minder dan 100 nanometer, die bij inademing ernstige gezondheidsrisico's kunnen opleveren.

Vanwege hun kleine formaat zijn ultrafijne nanodeeltjes moeilijk te detecteren en te meten zonder dure en soms omvangrijke apparatuur. Om deze problemen te verhelpen, hebben onze onderzoekers een nieuwe ultragevoelige vezelpuntsensor ontworpen die afzonderlijke deeltjes met een diameter tot 50 nanometer kan detecteren. In de toekomst zal de nieuwe sensor worden gebruikt in onderzoeken om de binnenluchtkwaliteit op scholen te controleren en evalueren.

Nanodeeltjes maken een groot deel uit van de dagelijkse wereld die we thuis noemen. 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 groot aantal nanodeeltjes gebruikt om de medicijnafgiftesystemen van de toekomst te maken.

Een klasse nanodeeltjes die veel aandacht trekt vanwege de verbinding met de lucht die we inademen, is het ultrafijne deeltje (UFP), een deeltje met een diameter van minder dan 100 nanometer (nm).

Blootstelling aan UFP's (die te vinden zijn in rook, uitlaatgassen en zelfs printertoners) kan ernstige gezondheidsrisico's met zich meebrengen, vooral als deze deeltjes rechtstreeks worden ingeademd.

"Wanneer UFP's zich in de longen nestelen, kan dit een ernstig gezondheidsrisico met zich meebrengen, omdat ze, eenmaal in de longen, gifstoffen kunnen absorberen die we mogelijk uit de lucht om ons heen inademen. Als gevolg daarvan blijven die gifstoffen in het lichaam", zegt Arthur Hendriks, Ph.D. onderzoeker bij de afdeling Technische Natuurkunde en Wetenschapseducatie. "Om dit te helpen voorkomen zijn er dus nauwkeurige manieren nodig om UFP's te detecteren en zo de luchtkwaliteit binnenshuis te monitoren."

Onderzoek naar de luchtkwaliteit binnenshuis staat bijvoorbeeld voorop in het Horizon Europa-project LEARN, dat de luchtkwaliteit binnenshuis op scholen wil controleren en evalueren en de impact van de luchtkwaliteit op de gezondheid van kinderen wil beoordelen, en een deel hiervan vereist nauwkeurige manieren om UFP's te detecteren.

Het klein-grote probleem

Maar het detecteren van UFP's is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan, en ironisch genoeg is de detectie van zulke kleine deeltjes afhankelijk van het gebruik van grote en dure apparatuur.

"Groot en duur is niet het antwoord. We hebben kleine, compacte, nauwkeurige en goedkope apparaten nodig om het gemakkelijker te maken UFP's te detecteren in fabrieken, ziekenhuizen, kantoren en scholen", merkt Hendriks op.

Dus, wat is nu de state-of-the-art? “Er zijn sensoren op basis van glasvezeltechnologieën die vloeistoffen en gassen met een goede nauwkeurigheid kunnen meten. Maar deze sensoren zijn niet geschikt voor het meten van kleine deeltjes zoals UFP’s en dus is hun toepassing in die zin beperkt”, zegt Hendriks.

Er zijn ‘Lab-on-fiber’-technologieën gebruikt om biologische cellen op micrometerschaal (1000 keer groter dan de nanometerschaal) te detecteren. "Maar deze technologie kan geen enkele nanodeeltjes detecteren die qua grootte vergelijkbaar zijn met UFP's", zegt Hendriks.

Een vezeltipoplossing

Om aan de vraag naar een nieuwe UFP-sensortechnologie te voldoen, hebben Hendriks en zijn TU/e-medewerkers, waaronder Andrea Fiore, hoogleraar aan de afdeling Technische Natuurkunde en Wetenschappelijk Onderwijs, een nanofotonische vezeltipsensor ontwikkeld die gevoelig is voor kleine veranderingen in de omgeving rond de sensor, zozeer zelfs dat deze een enkel nanodeeltje van dezelfde grootte als UFP's kan detecteren.

"Ons sensorontwerp is klein en compact, en belangrijker nog:het geeft duidelijk aan wanneer er een detectie heeft plaatsgevonden", zegt Hendriks.

Het sensorwerk van de onderzoekers is gebaseerd op een fotonisch kristal, een periodieke of zich herhalende structuur die licht in alle richtingen kan reflecteren. ‘Er wordt dan een defect of fout aan het kristal toegevoegd, dat bekend staat als een fotonische kristalholte, of kortweg PhCC’, zegt Hendriks.

Met een PhCC kan licht gedurende langere tijd in het kristal worden opgesloten. Hendriks zegt:"In essentie is dit iets dat we de Q-factor noemen, wat een maatstaf is voor hoe goed licht in de loop van de tijd in het defect kan worden opgesloten. In ons geval is het licht beperkt tot een klein volume, dat lager ligt dan het defect. 1 µm ³ . Dit staat bekend als het modusvolume, en om kleine nanodeeltjes te meten, moet dit heel klein zijn."

De onderzoekers konden de PhCC op de punt van een vezel plaatsen met behulp van een methode die in 2020 door de groep van Andrea Fiore werd ontwikkeld. Wanneer een klein deeltje in de buurt van de PhCC in het kristal komt, verstoort het de holte door de brekingsindex te veranderen. "Dus het kleine deeltje verandert de golflengte van het opgesloten licht in de holte, en we meten deze verandering."

Uitdagingen

De grote uitdaging voor de onderzoekers was dat standaardholtes niet met behulp van vezels kunnen worden uitgelezen. Een standaard holte op een vezel zou niet hebben gewerkt, omdat licht van de vezel niet aan de holte zal koppelen.

Het droomscenario voor de onderzoekers was het optimaliseren van sleutelfactoren in het apparaat. Ten eerste was een hoge Q-factor vereist om de golflengte van de holte nauwkeuriger te kunnen volgen. Ten tweede was een klein volume nodig omdat dit de detectie van kleinere deeltjes mogelijk maakt. Ten derde was een hogere koppelingsefficiëntie noodzakelijk om ervoor te zorgen dat licht van de vezel naar de holte en weer terug kan koppelen, waardoor het mogelijk wordt de golflengte van de holte door de vezel te meten.

Om al deze uitdagingen op te lossen, gebruikten de onderzoekers een methode ontwikkeld door onderzoekers van Stanford University om tegelijkertijd factoren als de Q-factor, het modusvolume en de koppelingsefficiëntie te optimaliseren.

Ongekende gevoeligheid

"Onze opstelling biedt een ongekende gevoeligheid in vergelijking met eerdere technologieën die er zijn", legt Hendriks uit. "Met behulp van de sensor konden we in realtime afzonderlijke UFP's detecteren met een diameter van slechts 50 nanometer. Naar mijn mening is dat gewoon verbazingwekkend."

De volgende stap voor Hendriks en zijn collega's is het ophangen van de holtes zodat de kwaliteitsfactor en de koppelingsefficiëntie nog hoger zijn, wat zou kunnen resulteren in nanofotonische holtes met de beste eigenschappen in hun klasse, maar nog steeds leesbaar door de vezel.

"Onze aanpak zou kunnen worden gebruikt om nog kleinere deeltjes te detecteren, of zelfs in andere toepassingen zoals emitters van enkele fotonen en nano-optomechanische sensoren", zegt Hendriks. "En een aanvullende toepassing van de nieuwe aanpak zou zelfs de detectie van afzonderlijke biologische moleculen kunnen zijn."

Het volgende project voor de UFP-sensor zal het Europese project LEARN zijn, dat gericht is op het controleren en evalueren van de luchtkwaliteit op scholen, en dit zal worden uitgevoerd in samenwerking met de Microsystems-groep aan de TU/e.

Meer informatie: Arthur L. Hendriks et al, Het detecteren van afzonderlijke nanodeeltjes met behulp van nanofotonica met vezelpuntjes, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.516575

Journaalinformatie: Optica

Aangeboden door de Technische Universiteit Eindhoven