Ein neuer Ansatz zur Partikelanalyse verwendet einen Laserstrahl, um luftgetragene Partikel einzufangen und durch eine photonische Hohlkernfaser zu treiben. Der Partikeldurchmesser und der Brechungsindex können durch die Überwachung von Änderungen in der Faserübertragung abgerufen werden.

Eine effiziente Überwachung von Feinstaub (PM), insbesondere von Partikeln mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 2,5 μm (PM_2,5), ist für die Verbesserung der öffentlichen Gesundheit von entscheidender Bedeutung. Forscher der Gruppe von Philip Russell am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL) entwickeln nun eine neue Technik zur kontinuierlichen Überwachung sowohl der Größe als auch der optischen Eigenschaften einzelner luftgetragener Partikel. Sie nutzen optische Kräfte, um Partikel in der Luft automatisch einzufangen und sie zur Analyse in eine Hohlfaser zu bringen. Dieser Ansatz bietet hochgradig reproduzierbare Echtzeitergebnisse sowie eine unbegrenzte Lebensdauer der Geräte und stellt damit im Vergleich zu bisherigen Methoden eine deutliche Verbesserung dar.

"Das einzigartigste Merkmal unserer Technik ist, dass sie die Anzahl der Partikel - die mit dem Grad der Verschmutzung zusammenhängt - zählen kann und gleichzeitig detaillierte Echtzeitinformationen über die Partikelgrößenverteilung und die chemische Dispersion liefert", sagt der Leiter des Forschungsteams, Dr. Shangran Xie. "Diese zusätzlichen Informationen könnten beispielsweise für eine schnelle und kontinuierliche In-situ-Überwachung der Verschmutzung in städtischen Gebieten und an Industriestandorten nützlich sein."

Bei dem neuen Analyseansatz werden luftgetragene Partikel durch optische Kräfte in einem Laserstrahl eingefangen und durch den Strahlungsdruck vorwärts getrieben. Die Einfangkraft ist stark genug, um bei sehr kleinen Partikeln wie PM_2.5 die Schwerkraft zu überwinden, und richtet die Partikel automatisch mit einer photonischen Hohlkernfaser aus. Nach der Ausrichtung treibt das Laserlicht die Partikel in die Faser, wodurch das Laserlicht im Inneren der Faser gestreut wird und eine erkennbare Verringerung der Faserübertragung bewirkt. Die Forscher entwickelten einen neuen Signalverarbeitungsalgorithmus, um in Echtzeit nützliche Informationen aus den Partikelstreuungsdaten zu gewinnen. Nach der Erkennung wird das Partikel einfach aus der Faser ausgeworfen, ohne das Gerät zu beschädigen.

Dieser Ansatz könnte eine bessere Möglichkeit zur Überwachung der Luftverschmutzung bieten. Er ist besonders vielversprechend für die Analyse von Feinstaubpartikeln mit einer Größe von weniger als 2,5 Mikron, die tief in die Lunge gelangen und Gesundheitsprobleme verursachen können. Die Forscher des MPL haben ein Patent auf diese Technik angemeldet und planen die weitere Entwicklung von Prototyp-Geräten, z.B. zur Überwachung der Luftverschmutzung außerhalb des Labors.

Weitere Informationen finden Sie im Optics-Express-Artikel "On-the-fly particle metrology in hollow-core photonic crystal fibre" (https://doi.org/10.1364/OE.27.034496). Auch in der deutsch- und englischsprachigen Presse wurde bereits berichtet.