Los investigadores han desarrollado un microscopio que puede identificar químicamente partículas individuales del tamaño de una micra. El nuevo enfoque podría usarse algún día en aeropuertos u otros lugares de alta seguridad como una forma altamente sensible y de bajo costo de detectar rápidamente a las personas en busca de cantidades microscópicas de materiales potencialmente peligrosos.

En el diario Letras de óptica , de The Optical Society (OSA), investigadores del Laboratorio Lincoln del Instituto Tecnológico de Massachusetts, ESTADOS UNIDOS, demostraron su nuevo microscopio midiendo espectros infrarrojos de esferas individuales de 3 micrones hechas de sílice o acrílico. La nueva técnica utiliza una configuración óptica simple que consta de componentes compactos que permitirán miniaturizar el instrumento en un dispositivo portátil del tamaño de una caja de zapatos.

"La ventaja más importante de nuestra nueva técnica es su alta sensibilidad, pero un diseño notablemente simple, "dijo Ryan Sullenberger, personal asociado de MIT Lincoln Labs y primer autor del artículo. "Proporciona nuevas oportunidades para el análisis químico no destructivo al tiempo que allana el camino hacia una instrumentación ultrasensible y más compacta".

La capacidad del microscopio para identificar partículas individuales podría hacerlo útil para la detección rápida de amenazas químicas o sustancias controladas. Su alta sensibilidad también es ideal para el análisis científico de muestras muy pequeñas o para medir las propiedades ópticas de materiales.

Sondeo de huellas dactilares espectrales

La espectroscopia infrarroja se usa típicamente para identificar materiales desconocidos porque casi todos los materiales pueden identificarse por su espectro de absorción infrarrojo único. o huella digital. El nuevo método detecta esta huella dactilar de infrarrojos sin utilizar detectores de infrarrojos. Estos detectores agregan un volumen significativo a los instrumentos tradicionales, lo que es una limitación para los dispositivos portátiles debido a su requerimiento de enfriamiento.

La nueva técnica funciona iluminando partículas con un láser infrarrojo y un láser verde. El láser infrarrojo deposita energía en las partículas, haciendo que se calienten y se expandan. La luz láser verde es luego dispersada por estas partículas calentadas. Se usa una cámara de longitud de onda visible para monitorear esta dispersión, seguimiento de los cambios físicos de las partículas individuales a través de la lente del microscopio.

El instrumento se puede utilizar para identificar la composición del material de partículas individuales ajustando el láser infrarrojo a diferentes longitudes de onda y recolectando la luz visible dispersa en cada longitud de onda. El ligero calentamiento de las partículas no imparte cambios permanentes al material, haciendo que la técnica sea ideal para el análisis no destructivo.

La capacidad de excitar partículas con luz infrarroja y luego observar su dispersión con longitudes de onda visibles, un proceso llamado modulación fototérmica de la dispersión de Mie, se ha utilizado desde la década de 1980. Este nuevo trabajo utiliza componentes ópticos más avanzados para crear y detectar la dispersión de Mie y es el primero en utilizar una configuración de imágenes para detectar múltiples especies de partículas.

"De hecho, estamos imaginando el área que estamos interrogando, "dijo Alexander Stolyarov, personal técnico y coautor del artículo. "Esto significa que podemos sondear simultáneamente múltiples partículas en la superficie al mismo tiempo".

El uso del nuevo microscopio de longitudes de onda visibles para la obtención de imágenes le da una resolución espacial de alrededor de 1 micrón, en comparación con la resolución de aproximadamente 10 micrones de los métodos tradicionales de espectroscopía infrarroja. Esta mayor resolución permite que la nueva técnica distinga e identifique partículas individuales que son extremadamente pequeñas y están muy juntas.

"Si hay dos partículas muy diferentes en el campo de visión, podemos identificar a cada uno de ellos, ", dijo Stolyarov." Esto nunca sería posible con una técnica de infrarrojos convencional porque la imagen sería indistinguible ".

Compacto, láser infrarrojo sintonizable

El desarrollo de compacto, Los láseres infrarrojos en cascada cuántica sintonizables fueron una tecnología habilitadora clave para la nueva técnica. Los investigadores combinaron un láser de cascada cuántica con una fuente de láser visible muy estable y una cámara de grado científico disponible comercialmente.

"Esperamos ver una mejora en los láseres en cascada cuántica de longitud de onda sintonizable de alta potencia, ", dijo Sullenberger." Un láser infrarrojo más potente nos permite interrogar áreas más grandes en la misma cantidad de tiempo, permitiendo que se prueben más partículas simultáneamente ".

Los investigadores planean probar su microscopio en materiales adicionales, incluidas las partículas que no tienen forma esférica. También quieren probar su configuración en entornos más realistas que podrían contener interferencias en forma de partículas que no son del producto químico de interés.

"La presencia de interferencias es quizás el mayor desafío que anticipo que tendremos que superar, ", dijo Stolyarov." Aunque la contaminación es un problema para cualquier técnica que mida la absorción de pequeñas cantidades de materiales, Creo que nuestra técnica puede resolver ese problema debido a su capacidad para sondear una partícula a la vez ".