新型傳感器可檢測納米微粒

新型傳感器可檢測納米微粒

華人女科學家及其團隊開發出一種新型傳感器，可以將檢測級別提高到10nm，并實現逐一計數。研究人員表示，該傳感器有望檢測出更小的粒子、病毒和小分子。

當諧振腔中產生拉曼激光光束，它可能會遇到一個環形圈上的粒子，比如病毒微粒。這條光束會先分成兩束，之后兩條激光束會作為彼此的參照，從而形成一個自參考(self-referenced)傳感模式。

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

由圣路易斯華盛頓大學(Washington University)電氣和系統工程副教授楊蘭(LanYang)博士帶領的研究小組，同清華大學合作開發出了一種新型傳感器，可以將檢測級別提高到10nm，并實現逐一計數。研究人員表示，該傳感器有望檢測出更小的粒子、病毒和小分子。

該研究結果刊登在2014年9月1日《美國國家科學院學報》(Proceedings of the National Academy of Sciences)的在線早報上。

楊教授及其同事研發除了基于二氧化硅晶片的微型拉曼激光傳感器，可用以探測單個納米微粒，不再需要將稀土離子(rare-earth ions)“涂覆”在硅晶片來為激光器提供光增益。傳統方法中，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險。除此之外，利用稀土離子需要與離子能量轉換相匹配的特定泵浦激光，才能獲得光學增益，因而不同的稀土離子需要不同的泵浦光。楊教授說，利用拉曼光譜檢測可以降低對泵浦光的光譜限制，因為可以用任意波長的泵浦光實現受激拉曼散射。

該課題組的研究科學家、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，在不同環境下使用同一種無摻雜傳感器。例如，僅僅改變泵浦光的波長就可以得到環境的最小吸收波段或匹配目標納米微粒的特性。

楊蘭的研究團隊利用其開創的模態分離技術(mode splitting)將拉曼激光整合到一個硅微腔中，來研發這種對納米微粒檢測能力更強的新型傳感器。該技術將有利于電子、聲學、生物醫學、等離子、安全以及超材料領域。

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)，因為它的工作方式類似于圣保羅大教堂里著名的回音廊，在圓頂的一端可以聽到另一端的人所說的話。楊蘭團隊的設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學諧振腔不同的是，它們沒有反射鏡。楊蘭團隊的WGМR實際上是一種微型激光器，支持“頻率簡并模式”(frequency degenerate modes)，即激光器環形圈內部的頻率相同。拉曼激光器的一部分光逆時針旋轉，另一部分瞬時間旋轉。一旦粒子落在環上并分散這些模式的能量，一條拉曼激光就會分裂成兩條不同頻率的激光。

當諧振腔中產生拉曼激光光束，它可能會遇到一個環形圈上的粒子，比如病毒微粒。這條光束會先分成兩束，之后兩條激光束會作為彼此的參照，從而形成一個自參考(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，因為它依賴拉曼增益，而這是二氧化硅固有的特性，從而不必再用增益介質(稀土離子或光染料)涂覆微腔來提高檢測能力。它同時保留了二氧化硅的生物相容性，對于生物介質傳感有很大的應用前景。”

楊蘭博士表示，不論用什么波段的光，只要激光器內部具有拉曼激光循環，并且有微粒停留在環形圈上，當光束遇到微粒就會分散到各個方向。通過分離逆時針和順時針旋轉的兩種模式，就可以確認檢測到了納米微粒。

該研究團隊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制的可能性，例如拉曼增益和參數增益，這將替代光染料、稀土離子或量子點，從而補償光學和等離子系統的損耗。

(消息來源：元器件交易網)