颗粒探测器。电子显微镜图像展现了被领结结构捕获的直径为85，55，34纳米的二氧化硅纳米球，这种结构聚光，允许测量颗粒的红外线吸收光谱。
小于100纳米宽的超微灰尘颗粒能深深穿透进入肺部，引发呼吸疾病。这种颗粒不能被环境监控技术探测到，但现在研究人员描述了一种发现并化学识别小于34纳米的颗粒的方法，几乎是比原先的极限提高了10倍的探测精度。这项技术涉及到了观测颗粒被一个小的领结结构的腔捕获时的红外线吸收光谱。这项技术能在监控健康与安全的不同方面有着许多用途。
最有效的探测这种微小颗粒的方法利用了表面增强红外线吸收光谱法。这项技术涉及将极强的红外线光束聚焦到一个颗粒可能存在的区域，并探测颗粒在特定波长下能量的吸收，这些波长是它的组成特征。“表面增强”这个词表明，将红外线聚焦到纳米级结构下（例如锡箔纸上的一条狭缝）就能实现增幅能量吸收。狭窄空间在红外线与粒子表面产生了强烈的相互作用。利用这项技术，先前的研究已经展示了一种检测直径在240纳米的粒子的能力。
由德国海德堡大学（the University of Heidelberg）的Annemarie Pucci所领导的研究小组在这个方法上更进一步，成功提高了将近十倍的灵敏性。利用纳米级的领结形状的结构，他们大幅地提高了粒子所在位置的红外线强度。
Pucci和他的同事们用一块覆盖着大约50纳米厚金层的晶体圆片进行实验。他们首先在涂层上蚀刻出领结状的孔。形状像是一个长方形被两个三角形由长边向内衔接，并在中间接触。金层与红外线有着强烈的相互作用，并且领结的几何结构加强了入射光线在两个三角形交点处的强度。
为了测试他们的探测系统，研究人员在领结结构的中心捕获了不同大小的单个纳米级二氧化硅颗粒。然后他们在聚焦宽频红外光的同时测量反射光。在二氧化硅（硅的化合物）的波长特征中，粒子的存在导致了强烈的吸收峰。而在无粒子的情况下，光谱基本是平坦的。
探测的极限是34纳米，但是Pucci和他的同事在数值模拟中发现，精确的调整领结的形状应该最终可以探测到15纳米的粒子。研究人员还对几种材料的颗粒（包括塑料）进行了数值计算，发现它们可以根据颗粒的红外线光谱来区分。
德国哥廷根激光实验室（Göttingen Laser Laboratory）的光子传感专家Georgios Ctistis说：“这比之前的探测方法有着显著进步。没人成功探测如此小的尺度，尤其是在单粒子上。”他还表示，这项工作代表了一项令人印象深刻的实验成果。他说：“将红外线辐射聚焦到这么微小的体积是非常困难的。”
研究团队认为这种方法将很快对实际监控和化学识别环境中的细灰尘颗粒产生影响。海森堡小组（Heidelberg team）成员Christian Huck说，在空气污染中，超小颗粒是悬浮颗粒物的主要成分，而且它们会对健康构成威胁。“有了这项技术，”他说，“就可以在识别材料时参考一个非常大的光谱库，而这用其他的许多方法是不可能完成的。” Huck说这种方法还可能识别单一病毒。
作者：Mark Buchanan
翻译：王麟涛
引进来源：Physical Review Applied
本文来自：环球科学
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