華人女科學(xué)家及其團隊開發(fā)出一種新型傳感器，可以將檢測級別提高到10nm，并實現(xiàn)逐一計數(shù)。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(dāng)諧振腔中產(chǎn)生拉曼激光光束，它可能會遇到一個環(huán)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。（圖片來源：J. Zhu, B. Peng, S.K. Ozdemir, L. Yang）
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(yī)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(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，可以將檢測級別提高到 10nm，并實現(xiàn)逐一計數(shù)。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(jié)果刊登在2014年9月1日《美國國家科學(xué)院學(xué)報》（Proceedings of the National Academy of Sciences）的在線早報上。
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(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。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(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)境下使用同一種無摻雜傳感器。例如，僅僅改變泵浦光的波長就可以得到環(huán)境的最小吸收波段或匹配目標(biāo)納米微粒的特性。
楊蘭的研究團隊利用其開創(chuàng)的模態(tài)分離技術(shù)（mode splitting）將拉曼激光整合到一個硅微腔中，來研發(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(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，WGMRs），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?shù)囊欢丝梢月牭搅硪欢说娜怂f的話。楊蘭團隊的設(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。楊蘭團隊的WGMR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(huán)形圈內(nèi)部的頻率相同。拉曼激光器的一部分光逆時針旋轉(zhuǎn)，另一部分瞬時間旋轉(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，它可能會遇到一個環(huán)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(zhì)（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(zhì)傳感有很大的應(yīng)用前景。”
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)光束遇到微粒就會分散到各個方向。通過分離逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)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(shù)增益，這將替代光染料、稀土離子或量子點，從而補償光學(xué)和等離子系統(tǒng)的損耗。