新型傳感器可檢測納米微粒

　　華人女科學(xué)家及其團隊開(kāi)發(fā)出一種新型傳感器，可以將檢測級別提高到10nm，并實(shí)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。

　　新型傳感器可檢測納米微粒

　　當諧振腔中產(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。(圖片來(lái)源：J.Zhu,B.Peng,S.K.Ozdemir,L.Yang)

　　我們身邊時(shí)時(shí)刻刻存在著(zhù)約1nm大小的納米顆粒。盡管它們很微小，但對人類(lèi)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(shí)也會(huì )通過(guò)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)(WashingtonUniversity)電氣和系統工程副教授楊蘭(LanYang)博士帶領(lǐng)的研究小組，同清華大學(xué)合作開(kāi)發(fā)出了一種新型傳感器，可以將檢測級別提高到10nm，并實(shí)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(xué)院學(xué)報》(ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences)的在線(xiàn)早報上。

　　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，可用以探測單個(gè)納米微粒，不再需要將稀土離子(rare-earthions)“涂覆”在硅晶片來(lái)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(fēng)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(xué)增益，因而不同的稀土離子需要不同的泵浦光。楊教授說(shuō)，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(cháng)的泵浦光實(shí)現受激拉曼散射。

　　該課題組的研究科學(xué)家、本文第一作者SahinKayaOzdemir博士表示：“這為我們的研究提供了方便，可以通過(guò)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(cháng)就可以得到環(huán)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(kāi)創(chuàng )的模態(tài)分離技術(shù)(modesplitting)將拉曼激光整合到一個(gè)硅微腔中，來(lái)研發(fā)這種對納米微粒檢測能力更強的新型傳感器。該技術(shù)將有利于電子、聲學(xué)、生物醫學(xué)、等離子、安全以及超材料領(lǐng)域。

　　他們的這類(lèi)微傳感器被稱(chēng)為回音廊模式諧振腔(whisperinggallerymoderesonators，WGMRs)，因為它的工作方式類(lèi)似于圣保羅大教堂里著(zhù)名的回音廊，在圓頂的一端可以聽(tīng)到另一端的人所說(shuō)的話(huà)。楊蘭團隊的設備利用了類(lèi)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(méi)有反射鏡。楊蘭團隊的WGMR實(shí)際上是一種微型激光器，支持“頻率簡(jiǎn)并模式”(frequencydegeneratemodes)，即激光器環(huán)形圈內部的頻率相同。拉曼激光器的一部分光逆時(shí)針旋轉，另一部分瞬時(shí)間旋轉。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(shuō)：“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(lài)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(zhì)(稀土離子或光染料)涂覆微腔來(lái)提高檢測能力。它同時(shí)保留了二氧化硅的生物相容性，對于生物介質(zhì)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(huán)，并且有微粒停留在環(huán)形圈上，當光束遇到微粒就會(huì )分散到各個(gè)方向。通過(guò)分離逆時(shí)針和順時(shí)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(diǎn)，從而補償光學(xué)和等離子系統的損耗