Nanofotonische glasvezelsensor-oplossing om het ultrakleine te detecteren

Nanodeeltjes maken deel uit van de dagelijkse wereld waarin we leven. Bij medische tests zijn er bijvoorbeeld apparaten beschikbaar om te controleren op nanodeeltjes zoals ziekteverwekkers en biomarkers voor ziekten zoals kanker. En bij de ontwikkeling van medicijnen wordt een scala aan nanodeeltjes gebruikt om de medicijnafgiftesystemen van de toekomst te creëren.

Een klasse van nanodeeltjes die steeds meer aandacht krijgt vanwege hun verband met de lucht die we inademen, is ultrafijnstof (ultrafine particle, UFP), een deeltje met een diameter onder de 100 nanometer (nm).

Blootstelling aan UFP’s – die gevonden kunnen worden in rook, uitlaatgassen en zelfs printertoners – kan ernstige gezondheidsrisico’s met zich meebrengen, vooral als deze deeltjes direct ingeademd worden.

“Als UFP’s in de longen terechtkomen, kan dat een ernstig gezondheidsrisico vormen, omdat ze, eenmaal in de longen, giftige stoffen kunnen opnemen die we inademen uit de lucht om ons heen. Als gevolg daarvan blijven die giftige stoffen in het lichaam achter,” zegt Arthur Hendriks, promovendus aan de faculteit: Applied Physics and Science Education. “Om dit te helpen voorkomen, zijn er nauwkeurige manieren nodig om UFP’s te detecteren en zo de luchtkwaliteit te monitoren.”

Onderzoek naar de binnenluchtkwaliteit staat bijvoorbeeld centraal in het Horizon Europe-project LEARN, dat de kwaliteit van de lucht in scholen wil controleren en evalueren, en de impact van de luchtkwaliteit op de gezondheid van kinderen wil beoordelen. Een onderdeel hiervan is het nauwkeurig detecteren van UFP’s.

Het kleine-grote probleem

Maar het detecteren van UFP’s is gemakkelijker gezegd dan gedaan en ironisch genoeg is de detectie van zulke kleine deeltjes afhankelijk van het gebruik van grote en dure apparatuur.

“Groot en duur is niet het antwoord. We hebben kleine, compacte, nauwkeurige en goedkope apparaten nodig om het gemakkelijker te maken om UFP’s te detecteren in fabrieken, ziekenhuizen, kantoren en scholen,” merkt Hendriks op.

Wat is nu de nieuwste stand van zaken? “Er zijn sensoren op basis van glasvezeltechnologieën die vloeistoffen en gassen met een goede nauwkeurigheid kunnen meten. Maar deze sensoren zijn niet geschikt voor het meten van kleine deeltjes zoals UFP’s en dus is hun toepassing in die zin beperkt,” zegt Hendriks. ‘Lab-on-fiber’ technologieën zijn gebruikt om biologische cellen op micrometerschaal (1000 keer groter dan de nanometerschaal) te detecteren. “Maar deze technologie kan geen afzonderlijke nanodeeltjes detecteren die even groot zijn als UFP’s,” aldus Hendriks.

Een glasvezelsensor-oplossing

Om aan de vraag naar nieuwe UFP-detectietechnologie te voldoen, ontwikkelden Hendriks en zijn TU/e-collega’s, onder wie Andrea Fiore - hoogleraar aan de faculteit van Applied Physics and Science Education – een nanofotonische sensor die gevoelig is voor minuscule veranderingen in de omgeving rond de sensor, zozeer zelfs dat het een enkel nanodeeltje van dezelfde grootte als één UFP kan detecteren. De sensor is gebaseerd op een halfgeleider chip, die op het topje van de glasvezel geplaats wordt.

“Ons sensorontwerp is klein en compact en, nog belangrijker, het geeft duidelijk aan wanneer er een detectie heeft plaatsgevonden,” zegt Hendriks.

Het sensorwerk van de onderzoekers is gebaseerd op een fotonisch kristal, een periodieke structuur die licht in alle richtingen kan reflecteren. “Vervolgens wordt een defect, of een onregelmatigheid, toegevoegd aan het kristal, dat bekend staat als een ‘photonic crystal cavity’ [fotonische kristalholte], kortweg PhCC,” zegt Hendriks.

Een PhCC zorgt ervoor dat licht voor langere tijd in het kristal gevangen kan blijven. Hendriks: “In essentie noemen we dit de Q-factor, een maatstaf voor hoe goed licht in de loop van de tijd in het defect kan worden opgevangen. In ons geval wordt het licht opgesloten in een heel klein volume, dat kleiner is dan 1 µm³. Dit staat bekend als het modusvolume, en dit moet heel klein zijn om minuscule nanodeeltjes te meten.”

De onderzoekers waren in staat om de PhCC op het topje van de vezel te plaatsen met behulp van een methode die al in 2020 door de groep van Andrea Fiore is ontwikkeld. Wanneer een klein deeltje in de buurt komt van de PhCC in het kristal, verstoort het de holte door de brekingsindex te veranderen. “Het kleine deeltje verandert dus de golflengte van de holte, en we meten deze verandering.”

Ongekende gevoeligheid

“Onze opzet biedt een ongekende gevoeligheid in vergelijking met eerdere technologieën,” noteert Hendriks. “Met behulp van de sensor konden we in real time afzonderlijke UFP’s detecteren met diameters van wel 50 nanometer. Naar mijn mening is dat gewoon verbazingwekkend!”

De volgende stap voor Hendriks en zijn collega’s is om de holtes op te hangen, zodat de kwaliteitsfactor en de koppelingsefficiëntie nog hoger worden. Dit zou kunnen resulteren in nanofotonische holtes met eersteklas eigenschappen, maar die nog steeds uitleesbaar zijn via de glasvezel.

“Onze benadering zou gebruikt kunnen worden om nog kleinere deeltjes te detecteren. Of zelfs in andere toepassingen zoals single-foton emitters en nano-optomechanische sensoren,” zegt Hendriks. “En een extra toepassing van de nieuwe benadering zou zelfs de detectie van enkelvoudige biologische moleculen kunnen zijn.”

De volgende stap voor de UFP-sensor is het Europese project LEARN, dat zich richt op het controleren en evalueren van de luchtkwaliteit op scholen. Dit zal gebeuren in samenwerking met de Microsystems-groep van de TU/e. De collega’s van Hendriks zijn van plan om verder te werken aan de sensor en deze te testen als onderdeel van het LEARN-project.

Meer informatie

Lees hier het volledige artikel “Detecting single nanoparticles Using fiber-tip nanophotonics'.