新型傳感器可檢測(cè)納米微粒

華人女科學(xué)家及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型傳感器，可以將檢測(cè)級(jí)別提高到10nm，并實(shí)現(xiàn)逐一計(jì)數(shù)。研究人員表示，該傳感器有望檢測(cè)出更小的粒子、病毒和小分子。

當(dāng)諧振腔中產(chǎn)生拉曼激光光束，它可能會(huì)遇到一個(gè)環(huán)形圈上的粒子，比如病毒微粒。這條光束會(huì)先分成兩束，之后兩條激光束會(huì)作為彼此的參照，從而形成一個(gè)自參考(self-referenced)傳感模式。

我們身邊時(shí)時(shí)刻刻存在著約1nm大小的納米顆粒。盡管它們很微小，但對(duì)人類健康影響巨大。這些微粒既可以幫助醫(yī)生治療早期癌癥，同時(shí)也會(huì)通過病毒、空氣污染、尾氣排放、化妝品、防曬霜或電子產(chǎn)品等方式侵害人體健康。

由圣路易斯華盛頓大學(xué)(Washington University)電氣和系統(tǒng)工程副教授楊蘭(LanYang)博士帶領(lǐng)的研究小組，同清華大學(xué)合作開發(fā)出了一種新型傳感器，可以將檢測(cè)級(jí)別提高到10nm，并實(shí)現(xiàn)逐一計(jì)數(shù)。研究人員表示，該傳感器有望檢測(cè)出更小的粒子、病毒和小分子。

該研究結(jié)果刊登在2014年9月1日《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院學(xué)報(bào)》(Proceedings of the National Academy of Sciences)的在線早報(bào)上。

楊教授及其同事研發(fā)除了基于二氧化硅晶片的微型拉曼激光傳感器，可用以探測(cè)單個(gè)納米微粒，不再需要將稀土離子(rare-earth ions)“涂覆”在硅晶片來(lái)為激光器提供光增益。傳統(tǒng)方法中，將附加物覆蓋到微諧振腔需要更多的處理步驟、成本，以及更高的生物相容性風(fēng)險(xiǎn)。除此之外，利用稀土離子需要與離子能量轉(zhuǎn)換相匹配的特定泵浦激光，才能獲得光學(xué)增益，因而不同的稀土離子需要不同的泵浦光。楊教授說，利用拉曼光譜檢測(cè)可以降低對(duì)泵浦光的光譜限制，因?yàn)榭梢杂萌我獠ㄩL(zhǎng)的泵浦光實(shí)現(xiàn)受激拉曼散射。

該課題組的研究科學(xué)家、本文第一作者Sahin Kaya Ozdemir博士表示：“這為我們的研究提供了方便，可以通過控制激光頻率，在不同環(huán)境下使用同一種無(wú)摻雜傳感器。例如，僅僅改變泵浦光的波長(zhǎng)就可以得到環(huán)境的最小吸收波段或匹配目標(biāo)納米微粒的特性。

楊蘭的研究團(tuán)隊(duì)利用其開創(chuàng)的模態(tài)分離技術(shù)(mode splitting)將拉曼激光整合到一個(gè)硅微腔中，來(lái)研發(fā)這種對(duì)納米微粒檢測(cè)能力更強(qiáng)的新型傳感器。該技術(shù)將有利于電子、聲學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、等離子、安全以及超材料領(lǐng)域。

他們的這類微傳感器被稱為回音廊模式諧振腔(whispering gallery mode resonators，WGМRs)，因?yàn)樗墓ぷ鞣绞筋愃朴谑ケＡ_大教堂里著名的回音廊，在圓頂?shù)囊欢丝梢月牭搅硪欢说娜怂f的話。楊蘭團(tuán)隊(duì)的設(shè)備利用了類似的原理，只是利用光波代替了聲波。

早期的諧振腔較之新型的形態(tài)學(xué)諧振腔不同的是，它們沒有反射鏡。楊蘭團(tuán)隊(duì)的WGМR實(shí)際上是一種微型激光器，支持“頻率簡(jiǎn)并模式”(frequency degenerate modes)，即激光器環(huán)形圈內(nèi)部的頻率相同。拉曼激光器的一部分光逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另一部分瞬時(shí)間旋轉(zhuǎn)。一旦粒子落在環(huán)上并分散這些模式的能量，一條拉曼激光就會(huì)分裂成兩條不同頻率的激光。

當(dāng)諧振腔中產(chǎn)生拉曼激光光束，它可能會(huì)遇到一個(gè)環(huán)形圈上的粒子，比如病毒微粒。這條光束會(huì)先分成兩束，之后兩條激光束會(huì)作為彼此的參照，從而形成一個(gè)自參考(self-referenced)傳感模式。

Ozdemir說：“我們的新型傳感器不同于早期的回音廊傳感器，因?yàn)樗蕾嚴(yán)鲆?，而這是二氧化硅固有的特性，從而不必再用增益介質(zhì)(稀土離子或光染料)涂覆微腔來(lái)提高檢測(cè)能力。它同時(shí)保留了二氧化硅的生物相容性，對(duì)于生物介質(zhì)傳感有很大的應(yīng)用前景?！?/p>

楊蘭博士表示，不論用什么波段的光，只要激光器內(nèi)部具有拉曼激光循環(huán)，并且有微粒停留在環(huán)形圈上，當(dāng)光束遇到微粒就會(huì)分散到各個(gè)方向。通過分離逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的兩種模式，就可以確認(rèn)檢測(cè)到了納米微粒。

該研究團(tuán)隊(duì)除了闡釋傳感器的微型拉曼激光器，還指出了利用固有增益機(jī)制的可能性，例如拉曼增益和參數(shù)增益，這將替代光染料、稀土離子或量子點(diǎn)，從而補(bǔ)償光學(xué)和等離子系統(tǒng)的損耗。

(消息來(lái)源：元器件交易網(wǎng))