超ミクロ34 ナノメートル幅の超微細粉塵粒子をつかまえる新技術

・研究者が、従来より 10 倍の感度で超微細な粉塵粒子を識別可能な方法を開発しました。

・数値シミュレーションによれば、直径15ナノメートルほどの小さな粒子まで識別できるようになるとのことです。

小さな粉塵粒子 (直径 100 ナノメートル未満) は、肺に浸透しやすく、重度の呼吸器疾患を引き起こすことがあります。残念ながら、環境モニタリング方法では、このような超微粒子を検出することはできません。

ここ数十年、科学者たちは、薄い分子層の振動信号を強化するため、表面増強赤外線吸収 (SEIRA) で知られる強力な技術を開発していました。

金属箔の薄いスリットのような極小構造にビームを当て、吸収率をあげていきます。この狭い空間内で、ビームと粒子表面の間の相互作用が強くなります。

特定の波長上でナノ粒子がエネルギーを吸収し狭い領域に焦点を合わせるのと、強力な赤外線ビームは同じ状態になりました。科学者は、この方法 (SEIRA) を利用して、直径 240 ナノメートルほどの小さなナノ粒子を特定することができました。

現在、ドイツのハイデルベルク大学の研究者は、この技術をさらに一歩進め、感度を 10 倍向上させました。蝶ネクタイ型のような形の中で、粒子のビーム強度を高めました。

研究の内容とは？

研究者は、金の層でコーティングされた厚さ 50 ナノメートルの結晶ウエハーで実験を行いました。彼らはレイヤーにボウタイ型の開口部を切り開きました。

図からわかるように、長方形の長辺に内側に、 2 つの三角形が入り込んだような形状になっています。金の層は赤外線ビームと強く相互作用し、蝶ネクタイ型の開口部は、2 つの三角形がほぼ接触する位置でビーム強度を高めます。

この方法をテストするために、開口部の中央にシリカのナノ粒子 (異なるサイズ) を閉じ込めました。次に、赤外線ビームを開口部に向け、反射ビームを測定しました。

シリカ粒子は、SiO2に特徴的な波長の吸収帯を表しました。一方、粒子が存在しない場合、波長はほとんどフラットであり、データ評価が簡単になりました。

このシステムでは、直径 34 ナノメートルほどの小さな粒子を検出することができました。しかし、数値シミュレーションの助けを借りて、研究者は、ボウタイ型の構造をさらに改良して、幅 15 ナノメートルの粒子を検出に成功しました。

球体配置後の蝶ネクタイアンテナの SEM (走査型電子顕微鏡) 画像

さらに、研究者は、プラスチックなどの異なる材料で作られたナノ粒子について多くの計算を行い、粒子の赤外線スペクトルで異なる種類の材料を識別できることがわかりました。

これはどんなことに使えるのでしょうか?

この新しい技術は、大気中の小さな塵の粒子を捉え、検出する方法が変わる可能性を示しています。特に単一の粒子のこれほど小さな単位に到達したのはこれが初めてです。

ナノ粒子は空気中の粒子状物質の主成分であり、複数の健康問題を引き起こしています。このシステムにより、従来の方法では検出できなかった単一のウイルスを含むさまざまな物質を調べる際に、参照スペクトルの膨大なライブラリが利用できるようになります。