Hochempfindlicher photonischer Kristall erkennt einzelne Partikel bis zu einer Größe von 50 Nanometern

Mithilfe eines hochempfindlichen photonischen Kristalls konnten TU/e-Forscher einzelne Partikel mit einem Durchmesser von bis zu 50 Nanometern nachweisen. Der neue Forschung wurde gerade in der Zeitschrift veröffentlicht Optik.

Was haben vulkanische Lava, Feuerrauch, Autoabgase und Druckertoner gemeinsam? Sie alle sind Quellen ultrafeiner Partikel – Partikel mit einem Durchmesser unter 100 Nanometern, die beim Einatmen ernsthafte Gesundheitsrisiken darstellen können.

Aufgrund ihrer geringen Größe sind ultrafeine Nanopartikel ohne teure und manchmal sperrige Ausrüstung schwer zu erkennen und zu messen. Um diese Probleme zu lösen, haben unsere Forscher einen neuen hochempfindlichen Faserspitzensensor entwickelt, der einzelne Partikel mit Durchmessern von bis zu 50 Nanometern erkennen kann. Zukünftig soll der neue Sensor in Studien zur Kontrolle und Bewertung der Raumluftqualität an Schulen eingesetzt werden.

Nanopartikel sind fester Bestandteil unserer Alltagswelt, die wir unser Zuhause nennen. In medizinischen Tests stehen beispielsweise Geräte zur Verfügung, mit denen nach Nanopartikeln wie Krankheitserregern und Biomarkern für Krankheiten wie Krebs gesucht werden kann.

Und in der Arzneimittelentwicklung werden zahlreiche Nanopartikel verwendet, um die Arzneimittelverabreichungssysteme der Zukunft herzustellen.

Eine Klasse von Nanopartikeln, die aufgrund ihrer Verbindung mit der Luft, die wir atmen, viel Aufmerksamkeit erregt, sind die ultrafeinen Partikel (UFP), ein Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 100 Nanometern (nm).

Der Kontakt mit UFPs – die in Rauch, Abgasen und sogar Druckertonern vorkommen – kann ernsthafte Gesundheitsrisiken bergen, insbesondere wenn diese Partikel direkt eingeatmet werden.

„Wenn sich UFPs in der Lunge festsetzen, kann das ein ernstes Gesundheitsrisiko darstellen, denn sobald sie in der Lunge sind, können sie Giftstoffe absorbieren, die wir möglicherweise aus der Luft um uns herum einatmen. Dadurch bleiben diese Giftstoffe im Körper“, sagt er Arthur Hendriks, Ph.D. Forscher am Fachbereich Angewandte Physik und Naturwissenschaftspädagogik. „Um dies zu verhindern, sind genaue Methoden zur Erkennung von UFPs erforderlich, um die Luftqualität in Innenräumen zu überwachen.“

Beispielsweise steht die Forschung zur Luftqualität in Innenräumen im Vordergrund des Horizon Europe-Projekts LEARN, das darauf abzielt, die Luftqualität in Innenräumen in Schulen zu kontrollieren und zu bewerten und die Auswirkungen der Luftqualität auf die Gesundheit von Kindern zu bewerten, und ein Teil davon erfordert genaue Methoden um UFPs zu erkennen.

Das kleine-große Problem

Der Nachweis von UFPs ist jedoch leichter gesagt als getan, und ironischerweise erfordert der Nachweis solch kleiner Partikel den Einsatz großer und teurer Geräte.

„Groß und teuer ist nicht die Antwort. Wir brauchen kleine, kompakte, genaue und kostengünstige Geräte, um die Erkennung von UFPs in Fabriken, Krankenhäusern, Büros und Schulen zu erleichtern“, bemerkt Hendriks.

Wie ist denn nun der Stand der Technik? „Es gibt Sensoren auf Basis von Glasfasertechnologien, die Flüssigkeiten und Gase mit guter Genauigkeit messen können. Diese Sensoren sind jedoch nicht für die Messung kleiner Partikel wie UFPs geeignet und daher ist ihre Anwendung in diesem Sinne begrenzt“, sagt Hendriks.

„Lab-on-Fiber“-Technologien wurden verwendet, um biologische Zellen im Mikrometermaßstab (1.000-mal größer als der Nanometermaßstab) zu erkennen. „Diese Technologie kann jedoch keine einzelnen Nanopartikel in der Größe von UFPs erkennen“, sagt Hendriks.

Eine Faserspitzenlösung

Um der Nachfrage nach einer neuen UFP-Sensortechnologie gerecht zu werden, entwickelten Hendriks und seine TU/e-Mitarbeiter, zu denen auch Andrea Fiore, Professorin am Fachbereich Angewandte Physik und Naturwissenschaftsdidaktik, gehört, einen nanophotonischen Faserspitzensensor, der auf winzige Veränderungen im Sensor reagiert Umgebung um den Sensor herum so sehr, dass er ein einzelnes Nanopartikel in der Größe von UFPs erkennen kann.

„Unser Sensordesign ist klein und kompakt, und was noch wichtiger ist: Es zeigt deutlich an, wann eine Erkennung stattgefunden hat“, sagt Hendriks.

Die Sensorarbeit der Forscher basiert auf einem photonischen Kristall, einer periodischen oder sich wiederholenden Struktur, die Licht in alle Richtungen reflektieren kann. „Dann wird dem Kristall ein Defekt oder Fehler hinzugefügt, der als photonischer Kristallhohlraum, kurz PhCC, bezeichnet wird“, sagt Hendriks.

Ein PhCC ermöglicht es, Licht über einen längeren Zeitraum im Kristall einzufangen. Hendriks sagt: „Im Wesentlichen nennen wir das den Q-Faktor, der ein Maß dafür ist, wie gut Licht im Laufe der Zeit im Defekt eingefangen werden kann. In unserem Fall ist das Licht auf ein winziges Volumen darunter beschränkt.“ 1 µm3. Dies wird als Modenvolumen bezeichnet und um winzige Nanopartikel zu messen, muss dieses sehr klein sein.

Den Forschern gelang es, den PhCC mit einer bereits 2020 von Andrea Fiores Gruppe entwickelten Methode an der Spitze einer Faser zu platzieren. Wenn ein winziges Partikel in die Nähe des PhCC im Kristall kommt, stört es den Hohlraum, indem es seinen Brechungsindex ändert. „Das winzige Teilchen verändert also die Wellenlänge des im Hohlraum eingefangenen Lichts, und wir messen diese Änderung.“

Herausforderungen

Die größte Herausforderung für die Forscher bestand darin, dass Standardkavitäten nicht mit Fasern ausgelesen werden können. Ein Standardhohlraum auf einer Faser hätte nicht funktioniert, da das Licht von der Faser nicht in den Hohlraum eingekoppelt wird.

Das Traumszenario der Forscher bestand darin, Schlüsselfaktoren im Gerät zu optimieren. Erstens war ein hoher Q-Faktor erforderlich, um eine genauere Verfolgung der Wellenlänge des Hohlraums zu ermöglichen. Zweitens war ein kleines Modenvolumen erforderlich, da dies die Erkennung kleinerer Partikel ermöglicht. Drittens war eine höhere Kopplungseffizienz erforderlich, um sicherzustellen, dass Licht von der Faser in den Hohlraum und zurück koppeln kann, wodurch die Messung der Hohlraumwellenlänge durch die Faser ermöglicht wird.

Um all diese Herausforderungen zu lösen, verwendeten die Forscher eine von Forschern der Stanford University entwickelte Methode, um gleichzeitig Faktoren wie den Q-Faktor, das Modenvolumen und die Kopplungseffizienz zu optimieren.

Beispiellose Sensibilität

„Unser Aufbau bietet im Vergleich zu früheren Technologien eine beispiellose Empfindlichkeit“, betont Hendriks. „Mit dem Sensor konnten wir in Echtzeit einzelne UFPs mit Durchmessern von nur 50 Nanometern erkennen. Meiner Meinung nach ist das einfach erstaunlich.“

Der nächste Schritt für Hendriks und seine Kollegen besteht darin, die Hohlräume so aufzuhängen, dass der Qualitätsfaktor und die Kopplungseffizienz noch höher sind, was zu nanophotonischen Hohlräumen mit erstklassigen Eigenschaften führen könnte, die aber dennoch durch die Faser lesbar sind.

„Unser Ansatz könnte zum Nachweis noch kleinerer Partikel eingesetzt werden. Oder sogar in anderen Anwendungen wie Einzelphotonenemittern und nanooptomechanischen Sensoren“, sagt Hendriks. „Und eine weitere Anwendung des neuen Ansatzes könnte sogar die Detektion einzelner biologischer Moleküle sein.“

Als nächstes steht für den UFP-Sensor das europäische Projekt LEARN an, das auf die Kontrolle und Bewertung der Luftqualität in Schulen abzielt und in Zusammenarbeit mit der Mikrosystemgruppe der TU/e ​​durchgeführt wird.