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レーザベース粒子分析技術、大気汚染モニタリングに有望

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November, 22, 2019, Waqshington--個々の浮遊微粒子のサイズと光学特性の両方を連続的にモニタリングする新技術は、大気汚染モニタのより優れた方法となる。特に、2.5µm (PM2.5)以下の微粒子物質の分析に有望である。このような微粒子は、肺に深く入り込み、健康に害を及ぼす。
 「空気汚染は、多くの国々で重要な問題になっている。われわれのセットアップは非常に簡単でコンパクトであるので、都市や産業サイトで浮遊PM2.5の連続的モニタリング用のテーブルトップデバイスにできる」とドイツ、光科学マックスプランク研究所、Philip Russellグループ、研究チームリーダー、Shangran Xieはコメントしている。
 研究成果は、Optics Expressに発表された。論文では、光の力で空気中の粒子を自動的に捉え、それらを分析のために中空コアファイバに入れる方法を説明している。そのアプローチは、再現性が高く、リアルタイム結果、無制限なデバイス寿命を提供することで、現在の方法のいくつかの制約を克服している。
 Xieは、「われわれの技術の独自の特徴は、粒子の数をカウントできることである。これは汚染レベルに関連している。同時に、粒子サイズ分布と化学物質の分散について詳細なリアルタイム情報も提供する。この追加情報は、例えば、影響を受けやすい領域で迅速かつ連続的な汚染モニタリングにとって有用である」とコメントしている。

光で粒子をトラップ
 新しい分析アプローチでは空気中の粒子は、光の力によりレーザビーム内に捉えられ、放射圧で先へ送られる。トラッピング力は、PM2.5などの非常に小さな粒子に働く重力に打ち勝つ強さがあり、また中空フォトニック結晶ファイバで粒子を自動的に整列させる。これら特殊ファイバの特徴は、中核が空洞で、中核はファイバ内に光を閉じ込めるガラス微小構造によって囲まれている。
 整列させられると、レーザ光が粒子をファイバに押し込め、ファイバ内部のレーザ光が散乱させ、ファイバ伝送で減速して検出可能になる。研究チームは、粒子散乱データから有益な情報をリアルタイムで引き出す新しい信号処理アルゴリズムを開発した。検出後、デバイスを劣化させることなく、粒子はファイバから飛び出すだけである。 
 「ファイバからの伝送信号により、粒子がファイバを透過するのに要する時間、つまりTOFを計測できる。ファイバ伝送における減速とTOF情報でわれわれは、粒子サイズと屈折率を明確に計算できる。屈折率は、粒子物質の特性評価に役立つ。この光学特性は、ほとんどの汚染物質ですでに知られているからである」とこのプロジェクトに携わっている博士課程学生、Abhinav Sharmaは説明している。

精密計測
 研究チームは、様々なサイズのポリスチレンとシリカ粒子を使い、その技術をテストした。そのシステムが粒子タイプを正確に分離し、分解能18nmで、0.99µmシリカ粒子を計測できることを確認した。
 研究チームは、大気中にもっと一般的に存在する粒子を分析するそのシステムの能力をテストする計画である。また、液体中でもその技術の計測能力を実証することを考えている。水質汚染モニタリングでも、有用であると考えられるからである。チームは、この技術の特許申請しており、続けてプロトタイプデバイスの開発を行う予定である。例えば、Lab外で大気汚染をモニタするために使えるようなデバイスである。