Una nueva técnica para monitorear continuamente tanto el tamaño como las propiedades ópticas de las partículas individuales en el aire podría ofrecer una mejor manera de monitorear la contaminación del aire. Es especialmente prometedor para analizar partículas finas de menos de 2,5 micrones (PM2,5), que puede penetrar profundamente en los pulmones y causar problemas de salud.

"La contaminación del aire se ha convertido en un problema esencial en muchos países, "dijo el líder del equipo de investigación Shangran Xie del grupo del Prof. Philip Russell en el Instituto Max Planck para la Ciencia de la Luz en Alemania." Dado que nuestra configuración es muy simple y compacta, debería ser posible convertirlo en un dispositivo de sobremesa para monitorear continuamente PM2.5 en el aire en áreas urbanas y sitios industriales ".

En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express , los investigadores describen cómo utilizaron fuerzas ópticas para capturar automáticamente partículas en el aire e impulsarlas hacia una fibra de núcleo hueco para su análisis. El enfoque supera varias limitaciones de los métodos existentes al ofrecer una alta reproducibilidad, resultados en tiempo real y una vida útil ilimitada del dispositivo.

"La característica más singular de nuestra técnica es que puede contar el número de partículas, que está relacionado con el nivel de contaminación, al mismo tiempo que proporciona información detallada en tiempo real sobre la distribución del tamaño de las partículas y la dispersión química. ", dijo Xie." Esta información adicional podría ser útil para el monitoreo rápido y continuo de la contaminación en áreas sensibles, por ejemplo."

Atrapando partículas con luz

Para el nuevo enfoque de análisis, Las partículas en el aire quedan atrapadas dentro de un rayo láser por fuerzas ópticas y son impulsadas hacia adelante por la presión de la radiación. La fuerza de atrapamiento es lo suficientemente fuerte como para superar la fuerza gravitacional que actúa sobre partículas muy pequeñas como PM2.5 y alinea automáticamente las partículas con una fibra de cristal fotónico de núcleo hueco. Estas fibras especiales cuentan con un núcleo central que es hueco y está rodeado por una microestructura de vidrio que confina la luz dentro de la fibra.

Una vez alineado, la luz láser impulsa la partícula hacia la fibra, haciendo que la luz láser dentro de la fibra se disperse y cree una reducción detectable en la transmisión de la fibra. Los investigadores desarrollaron un nuevo algoritmo de procesamiento de señales para recuperar información útil de los datos de dispersión de partículas en tiempo real. Después de la detección, la partícula simplemente se expulsa de la fibra sin degradar el dispositivo.

"La señal de transmisión de la fibra también nos permite medir el tiempo de vuelo, que es el tiempo que tarda la partícula en viajar a través de la fibra, "dijo Abhinav Sharma, el estudiante de doctorado que trabaja en este proyecto. "La caída en la transmisión de la fibra junto con la información del tiempo de vuelo nos permite calcular sin ambigüedades el tamaño de las partículas y el índice de refracción. El índice de refracción puede ayudar a identificar el material de las partículas porque esta propiedad óptica ya es conocida para la mayoría de los contaminantes comunes".

Medidas de precisión

Los investigadores probaron su técnica utilizando partículas de poliestireno y sílice de varios tamaños diferentes. Descubrieron que el sistema podía separar con precisión los tipos de partículas y medir la partícula de sílice de 0,99 micrones con una resolución tan pequeña como 18 nanómetros.

Los investigadores planean probar la capacidad del sistema para analizar partículas que se encuentran más comúnmente en la atmósfera. También quieren demostrar la capacidad de la técnica para realizar mediciones en líquido, que sería útil para el monitoreo de la contaminación del agua. Han presentado una patente sobre esta técnica y planean continuar desarrollando dispositivos prototipo, como los que podrían usarse para monitorear la contaminación del aire fuera del laboratorio.