Команда исследователей Вашингтонского университета в г. Луи во главе с Лан Янгом, доктором философии, доцентом по развитию карьеры семьи Дас в области электротехники и системной инженерии, и их сотрудники из Университета Цинхуа в Китае разработали новый датчик, который может обнаруживать и подсчитывать наночастицы размером всего 10 нанометров. один за раз. Исследователи говорят, что датчик потенциально может обнаруживать гораздо более мелкие частицы, вирусы и небольшие молекулы.
Исследование опубликовано в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences, Early Edition, сентябрь. 1, 2014.
Янг и ее коллеги создали рамановский микролазерный сенсор в чипе из диоксида кремния, чтобы находить отдельные наночастицы без необходимости «заправлять» чип химическими веществами, называемыми ионами редкоземельных элементов, для обеспечения оптического усиления микролазера. Включение дополнений к микрорезонатору создает необходимость в дополнительных этапах обработки и увеличивает затраты, а также создает риски для биосовместимости. Кроме того, использование редкоземельных ионов требует специальных лазеров "накачки", согласовывающих энергетические переходы ионов для создания оптического усиления, поэтому для разных редкоземельных ионов необходимо использовать разные лазеры накачки. По словам Янга, использование рамановского процесса ослабляет требования к конкретным полосам длин волн для лазеров накачки, поскольку рамановское усиление может быть получено с использованием накачки в любом диапазоне длин волн.
«Это дает нам преимущество использования одного и того же датчика без примесей в различных средах зондирования за счет адаптации частоты генерации к конкретной среде, например, в полосе, где среда имеет минимальное поглощение, и для свойств целевых наночастиц с помощью просто изменяя длину волны лазера накачки ", — говорит Сахин Кая Оздемир, доктор философии, научный сотрудник группы Янга и первый автор статьи.
Команда Янг интегрировала рамановскую генерацию в кварцевом микрополости с техникой расщепления мод, впервые примененной ее группой, чтобы разработать новый, мощный датчик, который более легко обнаруживает наночастицы.
Технология принесет пользу в области электроники, акустики, биомедицины, плазмоники, безопасности и метаматериалов.
Микросенсор Янга относится к классу резонаторов режима шепчущей галереи (WGMR), потому что он работает аналогично известной шепчущей галерее в лондонском районе Св. Павла, где человек с одной стороны купола может услышать сообщение, обращенное к стене другим человеком с другой стороны. Устройство Яна делает то же самое со световыми частотами, а не со звуковыми.
Одним из основных различий между ранними резонаторами и новым резонатором, известным как резонатор, зависящий от морфологии, было то, что в них не использовались зеркала для отражения света. WGMR Яна — это настоящий мини-лазер, который поддерживает «частотно-вырожденные моды», модели возбуждения внутри кольцевого кольца мини-лазера, которые имеют одинаковую частоту.
Одна часть света, излучаемая рамановским лазером, идет против часовой стрелки, другая — по часовой стрелке. Когда частица приземляется на кольцо и рассеивает энергию между этими модами, одиночная линия генерации комбинационного рассеяния разделяется на две линии генерации с разными частотами.
Когда в резонаторе генерируется луч рамановского лазера, он, вероятно, встретит частицу, например вирусную наночастицу, на окружности. Когда луч первоначально видит частицу, луч разделяется на две части, образуя две линии генерации, которые служат ссылкой для другой, чтобы сформировать саморегулирующуюся технику зондирования.
«Наш новый датчик отличается от более ранних датчиков шепчущей галереи тем, что он основан на рамановском усилении, присущем диоксиду кремния, что устраняет необходимость легирования микрополости усиливающей средой, такой как редкоземельные ионы или оптические красители, для ускорения обнаружения. возможности ", — говорит Оздемир. «Этот новый датчик сохраняет биосовместимость кремнезема и может найти широкое применение для зондирования в биологических средах."
«Неважно, какая длина волны используется, если внутри циркулирует рамановский лазер и на круге находится молекула, когда луч видит частицу, и она рассеивается во всех направлениях», — говорит Ян. «Сначала у вас есть режим против часовой стрелки, затем режим по часовой стрелке, и, проанализировав характеристики двух разделенных режимов, мы подтверждаем обнаружение наночастиц."
В дополнение к демонстрации рамановских микролазеров для измерения частиц, команда заявляет, что их работа показывает возможность использования собственных механизмов усиления, таких как рамановское и параметрическое усиление, вместо оптических красителей, редкоземельных ионов или квантовых точек, для компенсации потерь в оптические и плазмонные системы, в которых рассеяние препятствует прогрессу и ограничивает возможности применения.