Ultrafijne deeltjessensoren voor drastisch verbeterde luchtkwaliteit

Plasma's, die bestaan uit geladen deeltjes en de vierde staat van materie zijn, worden gebruikt in hoogtechnologische industriële systemen zoals in lithografiemachines om microchips te maken of in sensoren voor ultrafijne deeltjes (ultrafine particles oftewel UFP’s). Hierin meten ze de concentratie van minuscule deeltjes (kleiner dan 0,1 micrometer) die schadelijk kunnen zijn voor de menselijke gezondheid.

"Door hun kleine formaat kunnen UFP's zich diep in de longen afzetten en vervolgens in de bloedstroom terechtkomen, waar ze onomkeerbare weefselschade en ziekte veroorzaken", zegt Tim Staps, PhD-onderzoeker in de groep Complex Ionized Media van de faculteit Applied Physics.

Sensoren voor de samenleving?

Hoewel industriële UFP-sensoren al enige tijd bestaan, moeten er nog verschillende problemen worden opgelost voordat zij gemeengoed zijn in de samenleving. Hun beschikbaarheid zou goed getimed zijn. Het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) schat namelijk dat het aantal sterfgevallen in Nederland als gevolg van het inademen van fijnstof (inclusief ultrafijne deeltjes), uitgestoten door auto's en andere processen, tussen de 7.000 en 12.000 per jaar ligt.

Het eerste probleem zijn de kosten, aangezien apparaten op laboratoriumschaal 10.000 euro kosten, veel te duur voor auto's. Tegelijkertijd wordt het grootschalige gebruik van de technologie beperkt door een gebrek aan wetgeving voor ultrafijne deeltjes. Maar ook tal van technische problemen staan een grootschalig gebruik in de weg.

"De UFP-sensoren moeten niet alleen compact zijn, maar ook niet voortdurend onderhoud vergen. Industriële sensoren moeten bijvoorbeeld elke 100 uur worden gecontroleerd, wat voor auto's niet haalbaar is", zegt Staps. "De sensoren moeten daarnaast gevoelig zijn, omdat UFP-concentraties in de lucht laag kunnen zijn en moeilijk te meten."

"Nauwkeurige UFP-sensoren zouden het welzijn van mensen kunnen beschermen door de luchtkwaliteit te bewaken in gebouwen en werkplekken waar veel UFP's zijn. Om hoge UFP-concentraties tegen te gaan, zou dan gebruik gemaakt kunnen worden van verwarming, ventilatie en airconditioning. Waar het echter op neerkomt, is dat UFP's nauwkeurig worden gemeten en dat daarop vervolgens actie wordt ondernomen."

Meten van oppervlaktelading

Voor zijn promotieonderzoek ontwikkelden Staps en zijn collega's manieren om de oppervlaktelading van deeltjes op nanoschaal nauwkeurig te meten. "Eerst laden we deeltjes op met een plasma, door plasma-elektronen en -ionen naar de deeltjes te leiden. Daarna meten we de lading die de deeltjes bij zich dragen. Het is de totale lading van alle deeltjes die een meting oplevert van hun grootte en concentratie."

Om de lading van de deeltjes te meten, wendde Staps zich tot de microwave cavity resonance spectroscopy (MCRS), een techniek die sinds de jaren vijftig wordt gebruikt om vrije elektronen in een gas te meten onder vacuümomstandigheden. In een nieuwe aanpak hebben Staps en zijn collega's de techniek echter aangepast voor gebruik onder normale omstandigheden van druk en luchtdichtheid.

"In een vacuüm kunnen elektronen vele meters afleggen voordat zij tegen een gas- of stofdeeltje botsen. Onder normale omstandigheden neemt deze afstand drastisch af, en de signalen die worden geproduceerd als een elektron een gas- of stofdeeltje raakt, zijn veel kleiner dan in een vacuüm. Daarom hebben we een nieuwe opstelling ontworpen die de effecten van externe trillingen en andere bronnen van signaalruis minimaliseert."

Vrije elektronen

Staps en de onderzoekers ontdekten dat, zowel onder vacuüm- als atmosferische omstandigheden, botsingen tussen de deeltjes en vrije elektronen in het plasma bepaalden of de deeltjes al dan niet geladen waren. "Dergelijke waarnemingen zijn belangrijk om het fysische proces achter het opladen en ontladen van deeltjes te begrijpen. Maar dezelfde gegevens kunnen ook worden gebruikt om nieuwe theorieën te ontwikkelen voor het omschrijven van de oplaadprocessen onder variabele drukomstandigheden."

Het detecteren van botsingen tussen elektronen en deeltjes is één ding, maar Staps en de onderzoekers moesten vervolgens de elektronen meten die aan de deeltjes waren gebonden, én de aanwezigheid van negatieve ionen (die de uiteindelijke stofdeeltjes zijn) in het plasma. Maar om de ladingen te meten moeten de elektronen worden losgemaakt van de deeltjes. Om dit te doen gebruikten de onderzoekers lasers in combinatie met MCRS.

"Bij de laseraanpak, die photodetachment wordt genoemd, wordt een groot aantal fotonen op de deeltjes afgevuurd. Belangrijk is dat de energie van de fotonen hoger is dan de bindingsenergie die het elektron aan het deeltjesoppervlak bindt. Dit is echt een unieke manier om de lading van deeltjes in een vacuüm en de aanwezigheid van negatieve ionen bij atmosferische druk te detecteren. "

Ultrafijne detectie in zicht

Wat betekent dit alles voor ultrafijne deeltjessensoren? Wel, Staps is bijzonder optimistisch dat zijn onderzoek een uitstekend uitgangspunt kan vormen voor de ontwikkeling van toekomstige deeltjessensoren.

"Om nauwkeurige ultrafijne deeltjessensoren te maken, moeten we begrijpen hoe kleine deeltjes worden opgeladen en deze gegevens vervolgens gebruiken om nieuwe theorieën te formuleren over het opladen van nanodeeltjes met behulp van plasma's", zegt Staps. "Deze inzichten kunnen de vooruitgang van de sensortechnologieën versnellen. De productie van deze sensoren op industriële schaal zal waarschijnlijk eerder vroeger dan later plaatsvinden. Maar er zijn nog steeds technische uitdagingen, zoals het feit dat plasma's die met lucht interacteren vrij snel vervuild raken."

De ontwikkeling van nauwkeurige sensoren kan de industrie bovendien helpen om de uitstoot van ultrafijne deeltjes afkomstig van processen tot een minimum te beperken. Hierdoor verbetert de luchtkwaliteit en nemen de gezondheidsrisico’s af voor mensen die wonen en werken in de nabijheid van systemen die UFP's produceren.

Titel van PhD-thesis: Towards experimental characterization of nanoparticle charging in plasmas. Promotors: dr.ir. J. Beckers (EPG, AP, TU/e) en prof.dr.ir. G.M.W. Kroesen (EPG, AP, TU/e), EPG: Elementary Processes in Gas Discharges, AP: Faculteit Applied Physics. Sponsors: PPS-toeslag Onderzoek en Innovatie van het Ministerie van Economische Zaken en Klimaat (Nederland) en Prodrive Technologies B.V.