Utilizando un cristal fotónico ultrasensible, los investigadores de TU/e pudieron detectar partículas individuales de hasta 50 nanómetros de diámetro. La nueva investigación acaba de publicarse en la revista Optica .
¿Qué tienen en común la lava volcánica, el humo de los incendios, los gases de escape de los automóviles y el tóner de las impresoras? Todas ellas son fuentes de partículas ultrafinas, partículas con un diámetro inferior a 100 nanómetros, que pueden suponer graves riesgos para la salud si se inhalan.
Debido a su pequeño tamaño, las nanopartículas ultrafinas son difíciles de detectar y medir sin equipos costosos y a veces voluminosos. Para superar estos problemas, nuestros investigadores han diseñado un nuevo sensor de punta de fibra ultrasensible que puede detectar partículas individuales con diámetros de hasta 50 nanómetros. En el futuro, el nuevo sensor se utilizará en estudios para controlar y evaluar la calidad del aire interior en las escuelas.
Las nanopartículas son una gran parte del mundo cotidiano que llamamos hogar. Por ejemplo, en las pruebas médicas, hay dispositivos disponibles para detectar nanopartículas como patógenos y biomarcadores de enfermedades como el cáncer.
Y en el desarrollo de fármacos, se utiliza una gran cantidad de nanopartículas para crear los sistemas de administración de fármacos del futuro.
Una clase de nanopartícula que está atrayendo mucha atención debido a su conexión con el aire que respiramos es la partícula ultrafina (UFP), una partícula con un diámetro inferior a 100 nanómetros (nm).
La exposición a los UFP, que se pueden encontrar en el humo, los gases de escape e incluso en los tóneres de las impresoras, puede tener graves riesgos para la salud, especialmente si estas partículas se inhalan directamente.
"Cuando las UFP se alojan en los pulmones, pueden suponer un riesgo grave para la salud porque, una vez en los pulmones, pueden absorber las toxinas que podríamos inhalar del aire que nos rodea. Como resultado, esas toxinas permanecen en el cuerpo", dice. Arthur Hendriks, Ph.D. Investigador del Departamento de Física Aplicada y Educación Científica. "Por lo tanto, para ayudar a prevenir esto, se necesitan formas precisas de detectar UFP para monitorear la calidad del aire interior".
Por ejemplo, la investigación sobre la calidad del aire interior está a la vanguardia del proyecto LEARN de Horizonte Europa, que busca controlar y evaluar la calidad del aire interior en las escuelas y evaluar el impacto de la calidad del aire en la salud de los niños, y parte de esto requiere métodos precisos. para detectar UFP.
Pero detectar UFP es más fácil de decir que de hacer e, irónicamente, la detección de partículas tan pequeñas depende del uso de equipos grandes y costosos.
"Grande y caro no es la respuesta. Necesitamos dispositivos pequeños, compactos, precisos y baratos para que sea más fácil detectar UFP en fábricas, hospitales, oficinas y escuelas", señala Hendriks.
Entonces, ¿cuál es el estado del arte ahora? "Hay sensores basados en tecnologías de fibra óptica que pueden medir líquidos y gases con buena precisión. Pero estos sensores no son adecuados para medir partículas pequeñas como las UFP, por lo que su aplicación es limitada en ese sentido", afirma Hendriks.
Se han utilizado tecnologías de "laboratorio sobre fibra" para detectar células biológicas a escala micrométrica (1.000 veces mayor que la escala nanométrica). "Pero esta tecnología no puede detectar nanopartículas individuales de tamaño similar a las UFP", afirma Hendriks.
Para satisfacer la demanda de una nueva tecnología de detección de UFP, Hendriks y sus colaboradores de TU/e, entre los que se incluye Andrea Fiore, profesora del Departamento de Física Aplicada y Educación Científica, desarrollaron un sensor nanofotónico de punta de fibra que es sensible a pequeños cambios en la entorno alrededor del sensor, hasta el punto de que puede detectar una única nanopartícula del mismo tamaño que las UFP.
"El diseño de nuestro sensor es pequeño y compacto y, lo que es más importante, indica claramente cuándo se ha producido una detección", afirma Hendriks.
El trabajo de los sensores con sensores se basa en un cristal fotónico, una estructura periódica o repetitiva que puede reflejar la luz en todas direcciones. "Luego se añade un defecto o error al cristal, lo que se conoce como cavidad de cristal fotónico, o PhCC para abreviar", dice Hendriks.
Un PhCC permite que la luz quede atrapada en el cristal durante un período prolongado. Hendriks dice:"En esencia, esto es algo que llamamos factor Q, que es una medida de qué tan bien puede quedar atrapada la luz en el defecto a lo largo del tiempo. En nuestro caso, la luz está confinada a un volumen diminuto, que está por debajo 1 µm 3 . Esto se conoce como volumen modo y, para medir nanopartículas diminutas, debe ser muy pequeño".
Los investigadores pudieron colocar el PhCC en la punta de una fibra utilizando un método desarrollado por el grupo de Andrea Fiore en 2020. Cuando una pequeña partícula se acerca al PhCC en el cristal, altera la cavidad cambiando su índice de refracción. "Entonces, la pequeña partícula cambia la longitud de onda de la luz atrapada en la cavidad y medimos este cambio".
El principal desafío al que se enfrentaron los investigadores fue que las cavidades estándar no se pueden leer mediante fibras. Una cavidad estándar en una fibra no habría funcionado ya que la luz de la fibra no se acoplará a la cavidad.
El escenario soñado por los investigadores era optimizar los factores clave del dispositivo. En primer lugar, se requería un factor Q alto para permitir un seguimiento más preciso de la longitud de onda de la cavidad. En segundo lugar, se necesitaba un volumen de modo pequeño, ya que esto permite la detección de partículas más pequeñas. En tercer lugar, era necesaria una mayor eficiencia de acoplamiento para garantizar que la luz de la fibra pudiera acoplarse a la cavidad y regresar, haciendo posible medir la longitud de onda de la cavidad a través de la fibra.
Para resolver todos estos desafíos, los investigadores utilizaron un método desarrollado por investigadores de la Universidad de Stanford para optimizar factores como el factor Q, el volumen del modo y la eficiencia de acoplamiento al mismo tiempo.
"Nuestra configuración proporciona una sensibilidad sin precedentes en comparación con tecnologías anteriores", señala Hendriks. "Con el sensor pudimos detectar en tiempo real UFP individuales con diámetros tan bajos como 50 nanómetros. En mi opinión, esto es simplemente asombroso".
El siguiente paso para Hendriks y sus colegas es suspender las cavidades para que el factor de calidad y la eficiencia de acoplamiento sean aún mayores, lo que podría dar como resultado cavidades nanofotónicas con las mejores características de su clase, pero aún legibles a través de la fibra.
"Nuestro método podría utilizarse para detectar partículas aún más pequeñas, o incluso en otras aplicaciones, como emisores de fotón único y sensores nanooptomecánicos", afirma Hendriks. "Y una aplicación adicional del nuevo enfoque podría ser incluso la detección de moléculas biológicas individuales."
El próximo paso para el sensor UFP será el proyecto europeo LEARN, cuyo objetivo es controlar y evaluar la calidad del aire en las escuelas, y se realizará en colaboración con el grupo de Microsistemas de TU/e.
Más información: Arthur L. Hendriks et al, Detección de nanopartículas individuales mediante nanofotónica de punta de fibra, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.516575
Información de la revista: Óptica
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Eindhoven
