Новый метод непрерывного мониторинга как размера, так и оптических свойств отдельных частиц в воздухе может предложить лучший способ мониторинга загрязнения воздуха. Он особенно перспективен для анализа мелких твердых частиц размером менее 2,5 микрон (PM2,5), которые могут проникать глубоко в легкие и вызывать проблемы со здоровьем.
«Загрязнение воздуха стало существенной проблемой во многих странах», - сказал руководитель исследовательской группы Шангран Се из группы профессора У. Филип Рассел из Института науки о свете Макса Планка в Германии. «Поскольку наша установка очень проста и компактна, ее можно превратить в настольное устройство для непрерывного мониторинга переносимых по воздуху PM2,5 в городских районах и на промышленных объектах».
В журнале The Optical Society (OSA) Optics Express исследователи описывают, как они использовали оптические силы для автоматического захвата частиц в воздухе и подачи их в полое волокно для анализа. Подход преодолевает некоторые ограничения существующих методов, предлагая высоковоспроизводимые результаты в режиме реального времени и неограниченный срок службы устройства.
«Самая уникальная особенность нашего метода заключается в том, что он может подсчитывать количество частиц, которое связано с уровнем загрязнения, одновременно предоставляя подробную информацию в режиме реального времени о распределении частиц по размерам и химической дисперсии», - сказал Се. «Эта дополнительная информация может быть полезна, например, для быстрого и непрерывного мониторинга загрязнения в чувствительных районах."
Захват частиц светом
Для нового подхода к анализу частицы в воздухе задерживаются внутри лазерного луча оптическими силами и продвигаются вперед под действием радиационного давления. Сила улавливания достаточно сильна, чтобы преодолеть гравитационную силу, действующую на очень маленькие частицы, такие как PM2.5, и автоматически выравнивает частицы с помощью фотонно-кристаллического волокна с полой сердцевиной. Эти специальные волокна имеют полый центральный сердечник, окруженный стеклянной микроструктурой, которая удерживает свет внутри волокна.
После выравнивания лазерный свет продвигает частицу в волокно, в результате чего лазерный свет внутри волокна рассеивается и создает заметное снижение передачи по волокну. Исследователи разработали новый алгоритм обработки сигналов для извлечения полезной информации из данных о рассеянии частиц в режиме реального времени. После обнаружения частица просто выбрасывается из волокна, не ухудшая работу устройства.
«Сигнал, передаваемый по волокну, также позволяет нам измерять время пролета, то есть время, необходимое частице, чтобы пройти через волокно», - сказал Абхинав Шарма, докторант, работающий над этим проектом.«Падение пропускания волокна вместе с информацией о времени пролета позволяет нам однозначно рассчитать размер частиц и показатель преломления. Показатель преломления может помочь в идентификации материала частиц, поскольку это оптическое свойство уже известно для большинства распространенных загрязнителей».
Точные измерения
Исследователи проверили свою технику, используя частицы полистирола и кремнезема разных размеров. Они обнаружили, что система может точно разделять типы частиц и может измерять частицы кремнезема размером 0,99 микрона с разрешением всего 18 нанометров.
Исследователи планируют проверить способность системы анализировать частицы, которые чаще всего встречаются в атмосфере. Они также хотят продемонстрировать способность метода проводить измерения в жидкости, что было бы полезно для мониторинга загрязнения воды. Они подали заявку на патент на этот метод и планируют продолжить разработку прототипов устройств, например, таких, которые можно было бы использовать для мониторинга загрязнения воздуха за пределами лаборатории.