新的顆粒分析技術(shù)為更好的空氣污染監(jiān)測鋪平了道路

連續(xù)監(jiān)測單個(gè)空氣中顆粒的大小和光學(xué)特性的新技術(shù)可能提供一種更好的監(jiān)測空氣污染的方法。對于分析小于2.5微米(PM2.5)的細(xì)顆粒物特別有希望，該細(xì)顆粒物可以深入到肺部并引起健康問題。

來自德國馬克斯·普朗克光科學(xué)研究所的菲利普·羅素教授小組的研究小組負(fù)責(zé)人謝尚然說：“空??氣污染已經(jīng)成為許多國家的基本問題。” “由于我們的設(shè)置非常簡單和緊湊，因此應(yīng)該有可能將其變成臺式設(shè)備，以連續(xù)監(jiān)測市區(qū)和工業(yè)現(xiàn)場的機(jī)載PM2.5 。”

在光學(xué)協(xié)會(OSA)的《光學(xué)快報(bào)》上，研究人員描述了他們?nèi)绾卫霉鈱W(xué)力自動捕獲空氣中的粒子并將其推入空心纖維中進(jìn)行分析。該方法通過提供高度可再現(xiàn)的實(shí)時(shí)結(jié)果和無限的設(shè)備壽命，克服了現(xiàn)有方法的一些局限性。

“我們技術(shù)的最獨(dú)特之處在于，它可以計(jì)算與污染水平有關(guān)的顆粒數(shù)量，同時(shí)提供有關(guān)粒度分布和化學(xué)分散性的詳細(xì)實(shí)時(shí)信息。”謝說。“例如，這些額外信息對于敏感地區(qū)的快速連續(xù)污染監(jiān)測可能很有用。”

用光捕獲粒子

對于新的分析方法，空氣中的粒子被光學(xué)力捕獲在激光束中，并被輻射壓力向前推進(jìn)。捕獲力足夠強(qiáng)大，足以克服作用在很小顆粒(例如PM2.5)上的重力，并使顆粒與空心光子晶體光纖自動對齊。這些特殊的光纖具有一個(gè)空心的中心纖芯，并被玻璃微結(jié)構(gòu)包圍，從而將光限制在光纖內(nèi)部。

對準(zhǔn)后，激光將粒子推進(jìn)到光纖中，從而使光纖內(nèi)部的激光散射并在光纖傳輸中產(chǎn)生可檢測到的降低。研究人員開發(fā)了一種新的信號處理算法，可以實(shí)時(shí)地從粒子散射數(shù)據(jù)中檢索有用的信息。在檢測之后，粒子僅從光纖中彈出而不會使設(shè)備降級。

該項(xiàng)目的博士生Abhinav Sharma說：“來自光纖的傳輸信號還使我們能夠測量飛行時(shí)間，這是粒子穿過光纖的時(shí)間。” “纖維傳輸?shù)南陆狄约帮w行時(shí)間信息使我們能夠明確地計(jì)算出顆粒大小和折射率。折射率可以幫助識別顆粒材料，因?yàn)檫@種光學(xué)特性已經(jīng)為大多數(shù)常見污染物所熟知。”

精密量測

研究人員使用幾種不同尺寸的聚苯乙烯和二氧化硅顆粒測試了他們的技術(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可以精確地分離顆粒類型，并且可以測量分辨率僅為18納米的0.99微米二氧化硅顆粒。

研究人員計(jì)劃測試該系統(tǒng)分析大氣中更常見顆粒的能力。他們還想證明該技術(shù)在液體中進(jìn)行測量的能力，這對于水污染監(jiān)測非常有用。他們已為這項(xiàng)技術(shù)申請了專利，并計(jì)劃繼續(xù)開發(fā)原型設(shè)備，例如可用于監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室外部空氣污染的設(shè)備。