新的颗粒分析技术为更好的空气污染监测铺平了道路

一种持续监测单个机载颗粒尺寸和光学特性的新技术可以提供一种更好的监测空气污染的方法。对于分析小于2.5微米（PM2.5）的细颗粒物特别有希望，该细颗粒物可以深入到肺部并引起健康问题。“空气污染已成为许多国家的基本问题，”德国马克斯•普朗克光科学研究所菲利普•罗素教授小组的研究小组负责人谢尚然说。“由于我们的装置非常简单和紧凑，因此应该有可能将其变成台式设备，以连续监测市区和工业现场的机载PM2.5。”

一种用于粒子分析的新方法是使用激光束捕获空气中的粒子，并将其推动通过空心光子晶体光纤，可以通过监测纤维传输的变化来获取粒径和折射率。 图片来源：马克斯•普朗克光科学研究所的菲利普•罗素

在光学学会（OSA）的《光学快报》上，研究人员描述了他们如何利用光学力自动捕获空气中的粒子并将其推入空心纤维中进行分析。该方法通过提供高度可再现的实时结果和无限的设备寿命，克服了现有方法的一些局限性。“我们技术的最独特之处在于，它可以计算与污染水平有关的颗粒数量，同时提供有关粒度分布和化学分散的详细实时信息，”谢说。“例如，这些额外信息可能对敏感区域的快速连续污染监测很有意义。”

用光捕获粒子

对于新的分析方法，空气中的粒子被光学力在激光束中捕获，并被辐射压力向前推进。捕获力足够强大，足以克服作用在很小颗粒（例如PM2.5）上的重力，并使颗粒与空心光子晶体光纤自动对齐。这些特殊的光纤具有一个空心的中心纤芯，并被玻璃微结构包围，从而将光限制在光纤内部。对准后，激光将粒子推进到光纤中，从而使光纤内部的激光散射并在光纤传输中产生可检测到的降低。研究人员开发了一种新的信号处理算法，可以实时地从粒子散射数据中检索有用的信息。在检测之后，粒子仅从光纤中弹出而不会使设备降级。

“来自光纤的传输信号还使我们能够测量飞行时间，这是粒子穿过光纤传播所需的时间，”从事该项目的博士生Abhinav Sharma说。 “光纤传输的下降以及飞行时间信息使我们能够明确地计算出粒径和折射率。折射率可以帮助识别颗粒材料，因为这种光学特性对于大多数常见污染物都是已知的。”

精密测量

研究人员使用几种不同尺寸的聚苯乙烯和二氧化硅颗粒测试了他们的技术。他们发现，该系统可以精确地分离颗粒类型，并且可以测量分辨率仅为18纳米的0.99微米二氧化硅颗粒。研究人员计划测试该系统分析大气中常见颗粒的能力。他们还想证明该技术在液体中进行测量的能力，这对水污染监测非常有用。他们已为这项技术申请了专利，并计划继续开发原型设备，例如可用于监测实验室外部空气污染的设备。