I ricercatori hanno sviluppato un microscopio in grado di identificare chimicamente singole particelle di dimensioni micron. Il nuovo approccio potrebbe un giorno essere utilizzato negli aeroporti o in altri luoghi di massima sicurezza come un modo altamente sensibile ed economico per esaminare rapidamente le persone alla ricerca di quantità microscopiche di materiali potenzialmente pericolosi.

Nel diario Lettere di ottica , dalla Società Ottica (OSA), ricercatori del Lincoln Laboratory del Massachusetts Institute of Technology, STATI UNITI D'AMERICA, hanno dimostrato il loro nuovo microscopio misurando gli spettri infrarossi di singole sfere da 3 micron fatte di silice o acrilico. La nuova tecnica utilizza una semplice configurazione ottica costituita da componenti compatti che consentiranno di miniaturizzare lo strumento in un dispositivo portatile delle dimensioni di una scatola da scarpe.

"Il vantaggio più importante della nostra nuova tecnica è la sua elevata sensibilità, tuttavia un design straordinariamente semplice, "ha detto Ryan Sullenberger, personale associato del MIT Lincoln Labs e primo autore dell'articolo. "Offre nuove opportunità per analisi chimiche non distruttive, aprendo la strada a strumenti ultrasensibili e più compatti".

La capacità del microscopio di identificare le singole particelle potrebbe renderlo utile per il rilevamento rapido di minacce chimiche o sostanze controllate. La sua elevata sensibilità è ideale anche per l'analisi scientifica di campioni molto piccoli o per misurare le proprietà ottiche dei materiali.

Sondaggio di impronte spettrali

La spettroscopia a infrarossi viene in genere utilizzata per identificare materiali sconosciuti perché quasi ogni materiale può essere identificato dal suo spettro di assorbimento infrarosso unico, o impronta digitale. Il nuovo metodo rileva questa impronta digitale a infrarossi senza utilizzare rilevatori a infrarossi. Questi rilevatori aggiungono un notevole ingombro agli strumenti tradizionali, il che è limitante per i dispositivi portatili a causa della loro esigenza di raffreddamento.

La nuova tecnica funziona illuminando le particelle sia con un laser a infrarossi che con un laser verde. Il laser a infrarossi deposita energia nelle particelle, provocandone il riscaldamento e l'espansione. La luce laser verde viene quindi diffusa da queste particelle riscaldate. Una telecamera a lunghezza d'onda visibile viene utilizzata per monitorare questa dispersione, tracciare i cambiamenti fisici delle singole particelle attraverso la lente del microscopio.

Lo strumento può essere utilizzato per identificare la composizione materiale delle singole particelle sintonizzando il laser a infrarossi su diverse lunghezze d'onda e raccogliendo la luce diffusa visibile a ciascuna lunghezza d'onda. Il leggero riscaldamento delle particelle non apporta modifiche permanenti al materiale, rendendo la tecnica ideale per l'analisi non distruttiva.

La capacità di eccitare le particelle con la luce infrarossa e quindi osservare la loro diffusione con lunghezze d'onda visibili - un processo chiamato modulazione fototermica della diffusione di Mie - è stata utilizzata dagli anni '80. Questo nuovo lavoro utilizza componenti ottici più avanzati per creare e rilevare lo scattering di Mie ed è il primo ad utilizzare una configurazione di imaging per rilevare più specie di particelle.

"In realtà stiamo immaginando l'area che stiamo interrogando, " ha detto Alexander Stolyarov, personale tecnico e co-autore del documento. "Ciò significa che possiamo sondare contemporaneamente più particelle sulla superficie".

L'uso da parte del nuovo microscopio delle lunghezze d'onda visibili per l'imaging gli conferisce una risoluzione spaziale di circa 1 micron, rispetto alla risoluzione di circa 10 micron dei tradizionali metodi di spettroscopia a infrarossi. Questa maggiore risoluzione consente alla nuova tecnica di distinguere e identificare singole particelle estremamente piccole e ravvicinate.

"Se ci sono due particelle molto diverse nel campo visivo, siamo in grado di identificare ciascuno di essi, ", ha detto Stolyarov. "Questo non sarebbe mai possibile con una tecnica a infrarossi convenzionale perché l'immagine sarebbe indistinguibile".

Compatto, laser a infrarossi sintonizzabile

Lo sviluppo del compatto, i laser a infrarossi a cascata quantica sintonizzabili erano una tecnologia abilitante chiave per la nuova tecnica. I ricercatori hanno combinato un laser a cascata quantica con una sorgente laser visibile molto stabile e una fotocamera di livello scientifico disponibile in commercio.

"Speriamo di vedere un miglioramento nei laser a cascata quantistica ad alta potenza sintonizzabili sulla lunghezza d'onda, " ha affermato Sullenberger. "Un laser a infrarossi più potente ci consente di interrogare aree più grandi nello stesso lasso di tempo, permettendo a più particelle di essere sondate contemporaneamente."

I ricercatori hanno in programma di testare il loro microscopio su materiali aggiuntivi, comprese le particelle che non sono di forma sferica. Vogliono anche testare la loro configurazione in ambienti più realistici che potrebbero contenere interferenti sotto forma di particelle che non provengono dalla sostanza chimica di interesse.

"La presenza di interferenti è forse la sfida più grande che prevedo che dovremo superare, " ha detto Stolyarov. "Sebbene la contaminazione sia un problema per qualsiasi tecnica che misuri l'assorbimento da piccole quantità di materiali, Penso che la nostra tecnica possa risolvere questo problema grazie alla sua capacità di sondare una particella alla volta".