利用超灵敏的光子晶体，东英理工大学的研究人员能够探测到直径小至50纳米的单个粒子。这项新研究刚刚发表在《光学》杂志上。
火山熔岩、火灾烟雾、汽车尾气和打印机墨粉有什么共同之处?它们都是超细颗粒的来源，超细颗粒直径小于100纳米，如果吸入会造成严重的健康风险。
由于超细纳米粒子的体积小，如果没有昂贵的、有时笨重的设备，很难检测和测量它们。为了克服这些问题，我们的研究人员设计了一种新的超灵敏的光纤尖端传感器，可以检测直径小至50纳米的单个颗粒。未来，这种新型传感器将用于控制和评估学校室内空气质量的研究。
纳米粒子是我们称之为家的日常世界的重要组成部分。例如，在医学测试中，可以使用设备来检查病原体等纳米粒子和癌症等疾病的生物标志物。
在药物开发中，许多纳米粒子被用来制造未来的药物输送系统。
由于与我们呼吸的空气有关而备受关注的一类纳米粒子是直径小于100纳米(nm)的超细粒子(UFP)。
ufp存在于烟雾、废气甚至打印机墨粉中，暴露在ufp中会对健康造成严重威胁，特别是如果这些颗粒被直接吸入的话。
“当ufp进入肺部时，可能会造成严重的健康风险，因为一旦进入肺部，它们就会吸收我们可能从周围空气中吸入的毒素。因此，这些毒素会留在体内，”应用物理和科学教育系的研究员阿瑟·亨德里克斯博士说。“因此，为了帮助预防这种情况，需要准确检测ufp的方法，以监测室内空气质量。”
例如，对室内空气质量的研究是欧洲地平线项目LEARN的前沿工作，该项目力求控制和评价学校的室内空气质量，并评估空气质量对儿童健康的影响，其中一部分工作需要准确的方法来检测超射速。
小问题大问题
但是探测ufp说起来容易做起来难，而且具有讽刺意味的是，探测如此小的粒子依赖于使用大型和昂贵的设备。
“大而贵不是答案。我们需要小型、紧凑、精确和廉价的设备，以便在工厂、医院、办公室和学校更容易地检测到ufp，”亨德里克斯指出。
那么，现在最先进的技术是什么呢?“有些基于光纤技术的传感器可以很精确地测量液体和气体。但是这些传感器不适合测量像ufp这样的小颗粒，因此它们的应用在这个意义上是有限的，”亨德里克斯说。
“光纤实验室”技术已被用于在微米尺度(比纳米尺度大1000倍)上检测生物细胞。Hendriks说:“但是这项技术不能探测到与ufp大小相似的单个纳米颗粒。”
一种纤维尖端的解决方案
为了满足对新型UFP传感技术的需求，Hendriks和他的合作者，包括应用物理和科学教育系的Andrea fiori教授，开发了一种纳米光子光纤尖端传感器，它对传感器周围环境的微小变化非常敏感，以至于它可以检测到与UFP相同大小的单个纳米颗粒。
亨德里克斯说:“我们的传感器设计小巧紧凑，重要的是，当探测发生时，它能清楚地指示。”
研究人员的传感器工作基于光子晶体，这是一种周期性或重复的结构，可以向各个方向反射光。亨德里克斯说:“然后在晶体中加入缺陷或错误，这被称为光子晶体腔，简称PhCC。”
PhCC允许光在晶体中被捕获一段较长的时间。亨德里克斯说:“从本质上讲，这就是我们所说的q因子，它是衡量光在缺陷中随时间被捕获的程度。在我们的案例中，光被限制在一个很小的体积内，小于1µm3。这就是所谓的模式体积，要测量微小的纳米颗粒，它需要非常小。”
研究人员使用Andrea Fiore团队在2020年开发的方法，将PhCC放置在纤维的尖端。当一个微小的粒子靠近晶体中的PhCC时，它会通过改变其折射率来干扰腔。“所以，微小的粒子改变了腔中被困光的波长，我们测量了这种变化。”
挑战
研究人员面临的主要挑战是不能使用纤维读取标准腔。光纤上的标准空腔不会起作用，因为来自光纤的光不会耦合到空腔。
研究人员的理想方案是优化设备中的关键因素。首先，需要一个高q因子，以便更准确地跟踪腔的波长。其次，需要一个小的模态体积，因为这允许检测更小的粒子。第三，需要更高的耦合效率，以确保来自光纤的光能够耦合到腔体并返回，从而使通过光纤测量腔体波长成为可能。
为了解决所有这些挑战，研究人员使用了斯坦福大学研究人员开发的一种方法来同时优化q因子、模态体积和耦合效率等因素。
空前的灵敏度
“与之前的技术相比，我们的装置提供了前所未有的灵敏度，”亨德里克斯指出。“使用该传感器，我们能够实时检测到直径低至50纳米的单个ufp。在我看来，这简直令人震惊。”
亨德里克斯和他的同事们的下一步是悬浮这些空腔，这样质量因子和耦合效率就会更高，这可能会产生具有同类最佳特性的纳米光子腔，但仍然可以通过光纤读取。
“我们的方法可以用来探测更小的粒子。甚至在其他应用中，如单光子发射器和纳米光机械传感器，”亨德里克斯说。“新方法的另一个应用甚至可能是检测单个生物分子。”
UFP传感器的下一个项目将是欧洲LEARN项目，旨在控制和评估学校的空气质量，该项目将与欧洲工业大学的微系统小组合作完成。
