Новый малозатратный метод спектрального анализа позволяет химически идентифицировать микроскопические количества химических веществ, он может применяться в области обеспечения безопасности, правоохранительной деятельности и научных исследованиях.

Ученые Массачуссетского Технологического Института (MIT) разработали микроскоп, который может химически идентифицировать отдельные частицы микронного размера. Новый прибор может в один прекрасный день быть использован в аэропортах и ​​других местах, требующих повышенной безопасности, для высокочувствительного и недорогого быстрого сканирования людей и обнаружения потенциально опасных материалов.

В статье, опубликованной в Optics Letters, исследователи из Лаборатории Линкольна MIT продемонстрировали возможности своего нового микроскопа, проведя измерения инфракрасных (ИК) спектров отдельных 3-микронных сфер из диоксида кремния и акрила. Новый прибор имеет простую оптическую схему и состоит из компактных компонентов, которые позволят без больших сложностей миниатюризировать его в портативное устройство размером с обувную коробку.

"Самое главное преимущество разработанного нами метода в том, что он очень чувствителен, но с удивительно простой схемой," - утверждает Райан Салленбергер, внештатный сотрудник Лаборатории Линкольна MIT и первый автор статьи. - "Он открывает новые возможности для неразрушающего химического анализа и прокладывает путь к ультра-чувствительной и более компактной измерительной аппаратуре."

Способность микроскопа идентифицировать отдельные частицы может сделать его полезным для быстрого обнаружения опасных или запрещенных химических веществ. Высокая чувствительность также идеально подходит для научного анализа очень малых образцов или для измерения оптических свойств материалов.

"Отпечатки пальцев" химических веществ

Метод инфракрасной спектроскопии часто используется для идентификации неизвестных материалов, потому что почти каждый материал может быть идентифицирован по его уникальному спектру инфракрасного (ИК) поглощения, как по "отпечаткам пальцев". Новая методика позволяет обнаружить этот инфракрасный "отпечаток пальца" без использования инфракрасных детекторов. Эти детекторы добавляют значительный объем традиционным инструментам (что ограничивает возможность создания портативных устройств) поскольку требуют принудительного охлаждения.

Новый метод основан на освещении частиц одновременно инфракрасным лазером и лазером видимого диапазона (например, зеленым). Инфракрасный лазер сообщает частицам энергию, заставляя их нагреваться и расширяться. Луч зеленого лазера затем рассеивается этими нагретыми частицами. Для измерения уровня этого рассеяния используется камера видимого спектрального диапазона, что позволяет отслеживать физические изменения отдельных частиц через объектив микроскопа.

 

 

Идея возбуждать частицы инфракрасным излучением, а затем исследовать рассеяние в видимом диапазоне длин волн - процесс, называемый фототермической модуляцией рассеяния Ми - используется с 1980-х годов. Новая работа использует более продвинутые оптические компоненты для возбуждения и обнаружения рассеяния Ми и является первой, в которой   показана возможность обнаружения нескольких видов частиц.

"Мы на самом деле визуализировали область, которую мы опрашиваем," - сказал Александр Столяров, технический сотрудник и соавтор статьи. - "Это означает, что мы можем одновременно находить разные частицы на поверхности".

Использование новым микроскопом излучения видимых длин волн для визуализации дает ему пространственное разрешение около 1 мкм, по сравнению с разрешением примерно 10 мкм у традиционных методов инфракрасной спектроскопии. Улучшенное разрешение позволяет с использованием новой методики различать и идентифицировать отдельные частицы, которые чрезвычайно малы и близки друг к другу.

"Если в поле зрения есть две частицы из разных материалов, мы можем определить материал каждой из них", - поясняет Столяров. - "Это принципиально невозможно с помощью обычных методов инфракрасной спектроскопии,  потому что изображение  частиц будет неразличимо".

 

Компактный, перестраиваемый инфракрасный лазер

Разработка компактных, перестраиваемых квантово-каскадных инфракрасных лазеров является ключевой технологией для новой методики. В созданном устройстве исследователи объединили квантовый каскадный лазер с очень стабильным лазерным источником видимого излучения и коммерчески доступной камерой научного класса.

"Мы надеемся на улучшение интенсивных квантово-каскадных лазеров с перестраиваемой длиной волны," - продолжает Салленбергер. - "Более мощный инфракрасный лазер позволяет опрашивать большую площадь за то же время, что позволяет одновременно сканировать больше частиц."

Исследователи планируют протестировать данный микроскоп на новых видах материалов, в том числе на частицах, которые имеют не сферическую форму. Они также хотят проверить свою установку на более реалистичных средах, которые могут содержать помехи в виде частиц из веществ, не представляющих интереса.

Источник: R. M. Sullenberger, S. M. Redmond, D. Crompton, A. M. Stolyarov, W. D. Herzog. Spatially-resolved individual particle spectroscopy using photothermal modulation of Mie scattering. Optics Letters, 2017; 42 (2): 203 DOI: 10.1364/OL.42.000203

 

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта