Cristal fotônico ultrassensível detecta partículas únicas de até 50 nanômetros

Imagem SEM do sensor de ponta de fibra nanofotônica. Crédito:Arthur Hendriks

Usando um cristal fotônico ultrassensível, os pesquisadores da TU/e foram capazes de detectar partículas únicas de até 50 nanômetros de diâmetro. A nova pesquisa acaba de ser publicada na revista Optica .

O que a lava vulcânica, a fumaça do fogo, a fumaça dos escapamentos de automóveis e o toner de impressora têm em comum? Todos são fontes de partículas ultrafinas – partículas com diâmetro inferior a 100 nanômetros, que podem representar sérios riscos à saúde se inaladas.

Devido ao seu pequeno tamanho, as nanopartículas ultrafinas são difíceis de detectar e medir sem equipamentos caros e às vezes volumosos. Para superar esses problemas, nossos pesquisadores projetaram um novo sensor ultrassensível com ponta de fibra que pode detectar partículas únicas com diâmetros de até 50 nanômetros. Futuramente, o novo sensor será utilizado em estudos de controle e avaliação da qualidade do ar interno em escolas.

As nanopartículas fazem parte do mundo cotidiano que chamamos de lar. Por exemplo, em testes médicos, estão disponíveis dispositivos para verificar nanopartículas como agentes patogénicos e biomarcadores para doenças como o cancro.

E no desenvolvimento de medicamentos, uma série de nanopartículas são usadas para fabricar os sistemas de distribuição de medicamentos do futuro.

Uma classe de nanopartículas que vem chamando muita atenção devido à sua ligação com o ar que respiramos é a partícula ultrafina (UFP), uma partícula com diâmetro inferior a 100 nanômetros (nm).

A exposição a UFPs – que podem ser encontradas na fumaça, gases de escapamento e até mesmo em toners de impressora – pode apresentar sérios riscos à saúde, especialmente se essas partículas forem inaladas diretamente.

"Quando as UFPs se alojam nos pulmões, podem representar um grave risco à saúde porque, uma vez nos pulmões, podem absorver toxinas que podemos inspirar do ar ao nosso redor. Como resultado, essas toxinas permanecem no corpo", diz Arthur Hendriks, Ph.D. pesquisador do Departamento de Física Aplicada e Educação em Ciências. “Portanto, para ajudar a prevenir isso, são necessárias formas precisas de detectar UFPs, de modo a monitorar a qualidade do ar interno”.

Por exemplo, a investigação sobre a qualidade do ar interior está na vanguarda do projecto LEARN do Horizonte Europa, que procura controlar e avaliar a qualidade do ar interior nas escolas e avaliar o impacto da qualidade do ar na saúde das crianças, e parte disto requer formas precisas de para detectar UFPs.

O pequeno-grande problema

Mas detectar UFPs é mais fácil de falar do que fazer e, ironicamente, a detecção de partículas tão pequenas depende do uso de equipamentos grandes e caros.

"Grandes e caros não são a resposta. Precisamos de dispositivos pequenos, compactos, precisos e baratos para facilitar a detecção de UFPs em fábricas, hospitais, escritórios e escolas", observa Hendriks.

Então, qual é o estado da arte agora? “Existem sensores baseados em tecnologias de fibra óptica que podem medir líquidos e gases com boa precisão. Mas estes sensores não são adequados para medir partículas pequenas como UFPs e por isso a sua aplicação é limitada nesse sentido”, diz Hendriks.

Tecnologias "Lab-on-fiber" têm sido usadas para detectar células biológicas na escala micrométrica (1.000 vezes maior que a escala nanométrica). “Mas esta tecnologia não consegue detectar nanopartículas únicas semelhantes em tamanho às UFPs”, diz Hendriks.

Uma solução com ponta de fibra

Para atender à demanda por uma nova tecnologia de detecção de UFP, Hendriks e seus colaboradores TU/e, que inclui Andrea Fiore – professor do Departamento de Física Aplicada e Educação Científica, desenvolveram um sensor nanofotônico de ponta de fibra que é sensível a pequenas mudanças no ambiente ao redor do sensor, tanto que ele pode detectar uma única nanopartícula do mesmo tamanho das UFPs.

“Nosso design de sensor é pequeno e compacto e, o que é mais importante, indica claramente quando ocorreu uma detecção”, diz Hendriks.

O trabalho do sensor dos pesquisadores é baseado em um cristal fotônico, uma estrutura periódica ou repetitiva que pode refletir a luz em todas as direções. “Um defeito, ou erro, é então adicionado ao cristal, que é conhecido como cavidade de cristal fotônico, ou PhCC, para abreviar”, diz Hendriks.

Um PhCC permite que a luz fique presa no cristal por um longo período. Hendriks diz:"Em essência, isso é algo que chamamos de fator Q, que é uma medida de quão bem a luz pode ficar presa no defeito ao longo do tempo. No nosso caso, a luz está confinada a um pequeno volume, que está abaixo 1 µm³ . Isso é conhecido como modo de volume e, para medir nanopartículas minúsculas, precisa ser muito pequeno."

Os pesquisadores conseguiram colocar o PhCC na ponta de uma fibra usando um método desenvolvido pelo grupo de Andrea Fiore em 2020. Quando uma pequena partícula se aproxima do PhCC no cristal, ela perturba a cavidade, alterando seu índice de refração. “Então, a minúscula partícula altera o comprimento de onda da luz presa na cavidade, e medimos essa mudança”.

Desafios

O principal desafio enfrentado pelos pesquisadores foi que as cavidades padrão não podem ser lidas com fibras. Uma cavidade padrão em uma fibra não funcionaria, pois a luz da fibra não se acopla à cavidade.

O cenário dos sonhos dos pesquisadores era otimizar fatores-chave do dispositivo. Primeiro, um fator Q alto foi necessário para permitir um rastreamento mais preciso do comprimento de onda da cavidade. Em segundo lugar, era necessário um volume modal pequeno, pois permite a detecção de partículas menores. Terceiro, uma maior eficiência de acoplamento era necessária para garantir que a luz da fibra pudesse se acoplar à cavidade e voltar, tornando possível medir o comprimento de onda da cavidade através da fibra.

Para resolver todos esses desafios, os pesquisadores usaram um método desenvolvido por pesquisadores da Universidade de Stanford para otimizar fatores como o fator Q, o volume do modo e a eficiência do acoplamento ao mesmo tempo.

Sensibilidade sem precedentes

“Nossa configuração oferece sensibilidade sem precedentes em comparação com tecnologias anteriores”, ressalta Hendriks. "Usando o sensor, fomos capazes de detectar em tempo real UFPs únicos com diâmetros tão baixos quanto 50 nanômetros. Na minha opinião, isso é simplesmente surpreendente."

O próximo passo de Hendriks e seus colegas é suspender as cavidades para que o fator de qualidade e a eficiência de acoplamento sejam ainda maiores, o que poderia resultar em cavidades nanofotônicas com as melhores características da categoria, mas ainda legíveis através da fibra.

"Nossa abordagem poderia ser usada para detectar partículas ainda menores. Ou mesmo em outras aplicações, como emissores de fóton único e sensores nano-optomecânicos", diz Hendriks. "E uma aplicação adicional da nova abordagem pode até ser a detecção de moléculas biológicas únicas."

O próximo passo para o sensor UFP será o projeto europeu LEARN, que visa controlar e avaliar a qualidade do ar nas escolas, e será feito em colaboração com o grupo Microsystems da TU/e.

Mais informações: Arthur L. Hendriks et al, Detectando nanopartículas únicas usando nanofotônica de ponta de fibra, Optica (2024). DOI:10.1364/OPTICA.516575
Informações do diário: Óptica

Fornecido pela Universidade de Tecnologia de Eindhoven

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