超灵敏光子晶体可探测50纳米以下的单个粒子

使用超灵敏光子晶体，TU/e研究人员能够检测到直径低至50纳米的单个粒子。这项新研究刚刚发表在Optica杂志上

火山熔岩、火灾烟雾、汽车尾气和打印机碳粉有什么共同点？它们都是超细颗粒的来源——直径低于100纳米的颗粒，如果吸入会对健康造成严重风险

由于超细纳米颗粒体积小，如果没有昂贵且有时体积庞大的设备，很难检测和测量。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光纤尖端传感器，可以检测直径低至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

纳米颗粒在很大程度上是我们称之为家的日常世界的一部分。例如，在医学测试中，可以使用设备来检查类似纳米颗粒的病原体和癌症等疾病的生物标志物

在药物开发中，许多纳米颗粒被用于制造未来的药物递送系统

一类纳米颗粒因其与我们呼吸的空气的联系而备受关注，它是超细颗粒（UFP），一种直径低于100纳米的颗粒

接触不明飞行物——烟雾、废气甚至打印机墨粉中都有这种物质——可能会对健康造成严重风险，尤其是如果直接吸入这些颗粒物

应用物理与科学教育系博士研究员Arthur Hendriks说：“当不明飞行物滞留在肺部时，会对健康构成严重风险，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。”。“因此，为了防止这种情况的发生，需要准确的检测不明飞行物的方法来监测室内空气质量。”

例如，对室内空气质量的研究是地平线欧洲项目LEARN的前沿，该项目旨在控制和评估学校的室内空气质量，并评估空气质量对儿童健康的影响，其中一部分需要准确的方法来检测不明飞行物质

小问题大问题

但检测不明飞行物说起来容易做起来难，具有讽刺意味的是，检测这种小颗粒物依赖于使用大型昂贵的设备

Hendriks指出：“大而贵不是解决问题的办法。我们需要小型、紧凑、准确、廉价的设备，以便更容易在工厂、医院、办公室和学校检测不明飞行物。”

那么，现在最先进的是什么？Hendriks说：“有一些基于光纤技术的传感器可以很好地测量液体和气体。但这些传感器不适合测量UFP等小颗粒物，因此在这个意义上它们的应用受到限制。”

“纤维实验室”技术已被用于在微米级（比纳米级大1000倍）检测生物细胞。Hendriks说：“但这项技术无法检测到与不明飞行物大小相似的单个纳米颗粒。”

光纤尖端解决方案

为了满足对新的UFP传感技术的需求，Hendriks和他的TU/e合作者，包括应用物理和科学教育系教授Andrea Fiore，开发了一种纳米光子光纤尖端传感器，该传感器对传感器周围环境的微小变化非常敏感，因此可以检测到与UFP大小相同的单个纳米颗粒

Hendriks说：“我们的传感器设计小巧紧凑，重要的是，它能清楚地指示检测何时发生。”

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性结构，可以将光反射到所有方向。Hendriks说：“然后将缺陷或误差添加到晶体中，这被称为光子晶体腔，简称PhCC。”

＜p＞PhCC允许光在晶体中被捕获很长一段时间。Hendriks说：“本质上，这就是我们所说的Q因子，它是一种衡量光在一段时间内被困在缺陷中的程度的指标。在我们的情况下，光被限制在一个很小的体积内，小于1µm3。”。这被称为模式体积，为了测量微小的纳米颗粒，它需要非常小。“

研究人员能够使用Andrea Fiore团队在2020年开发的方法将PhCC放置在纤维尖端。当一个微小的粒子靠近晶体中的PhCC时，它会通过改变折射率来干扰空腔。“因此，微小的颗粒会改变空腔中捕获光的波长，我们测量这种变化。”

挑战

研究人员面临的主要挑战是无法使用光纤读取标准空腔。光纤上的标准空腔不会工作，因为来自光纤的光不会耦合到空腔

研究人员的梦想是优化设备中的关键因素。首先，需要高Q因子以允许更准确地跟踪腔的波长。其次，需要小的模式体积，因为这允许检测较小的粒子。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和背面，从而可以通过光纤测量腔体波长

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，同时优化Q因子、模体积和耦合效率等因素

前所未有的灵敏度

Hendriks指出：“与以前的技术相比，我们的设置提供了前所未有的灵敏度。”。“使用该传感器，我们能够实时检测到直径为l的单个不明飞行物