新型传感器可检测纳米微粒

　　华人女科学家及其团队开发出一种新型传感器，可以将检测级别提高到10nm，并实现逐一计数。研究人员表示，该传感器有望检测出更小的粒子、病毒和小分子。

　　当谐振腔中产生拉曼激光光束，它可能会遇到一个环形圈上的粒子，比如病毒微粒。这条光束会先分成两束，之后两条激光束会作为彼此的参照，从而形成一个自参考(self-referenced)传感模式。(图片来源：J. Zhu, B. Peng, S.K. Ozdemir, L. Yang)

　　我们身边时时刻刻存在着约1nm大小的纳米颗粒。尽管它们很微小，但对人类健康影响巨大。这些微粒既可以帮助医生治疗早期癌症，同时也会通过病毒、空气污染、尾气排放、化妆品、防晒霜或电子产品等方式侵害人体健康。

　　由圣路易斯华盛顿大学(Washington University)电气和系统工程副教授杨兰(LanYang)博士带领的研究小组，同清华大学合作开发出了一种新型传感器，可以将检测级别提高到 10nm，并实现逐一计数。研究人员表示，该传感器有望检测出更小的粒子、病毒和小分子。

　　该研究结果刊登在2014年9月1日《美国国家科学院学报》(Proceedings of the National Academy of Sciences)的在线早报上。

　　杨教授及其同事研发除了基于二氧化硅晶片的微型拉曼激光传感器，可用以探测单个纳米微粒，不再需要将稀土离子(rare-earth ions)“涂覆”在硅晶片来为激光器提供光增益。传统方法中，将附加物覆盖到微谐振腔需要更多的处理步骤、成本，以及更高的生物相容性风险。除此之外，利用稀土离子需要与离子能量转换相匹配的特定泵浦激光，才能获得光学增益，因而不同的稀土离子需要不同的泵浦光。杨教授说，利用拉曼光谱检测可以降低对泵浦光的光谱限制，因为可以用任意波长的泵浦光实现受激拉曼散射。

　　该课题组的研究科学家、本文第一作者Sahin Kaya Ozdemir博士表示：“这为我们的研究提供了方便，可以通过控制激光频率，在不同环境下使用同一种无掺杂传感器。例如，仅仅改变泵浦光的波长就可以得到环境的最小吸收波段或匹配目标纳米微粒的特性。

　　杨兰的研究团队利用其开创的模态分离技术(mode splitting)将拉曼激光整合到一个硅微腔中，来研发这种对纳米微粒检测能力更强的新型传感器。该技术将有利于电子、声学、生物医学、等离子、安全以及超材料领域。

　　他们的这类微传感器被称为回音廊模式谐振腔(whispering gallery mode resonators，WGMRs)，因为它的工作方式类似于圣保罗大教堂里著名的回音廊，在圆顶的一端可以听到另一端的人所说的话。杨兰团队的设备利用了类似的原理，只是利用光波代替了声波。

　　早期的谐振腔较之新型的形态学谐振腔不同的是，它们没有反射镜。杨兰团队的WGMR实际上是一种微型激光器，支持“频率简并模式”(frequency degenerate modes)，即激光器环形圈内部的频率相同。拉曼激光器的一部分光逆时针旋转，另一部分瞬时间旋转。一旦粒子落在环上并分散这些模式的能量，一条拉曼激光就会分裂成两条不同频率的激光。

　　当谐振腔中产生拉曼激光光束，它可能会遇到一个环形圈上的粒子，比如病毒微粒。这条光束会先分成两束，之后两条激光束会作为彼此的参照，从而形成一个自参考(self-referenced)传感模式。

　　Ozdemir说：“我们的新型传感器不同于早期的回音廊传感器，因为它依赖拉曼增益，而这是二氧化硅固有的特性，从而不必再用增益介质(稀土离子或光染料)涂覆微腔来提高检测能力。它同时保留了二氧化硅的生物相容性，对于生物介质传感有很大的应用前景。”

　　杨兰博士表示，不论用什么波段的光，只要激光器内部具有拉曼激光循环，并且有微粒停留在环形圈上，当光束遇到微粒就会分散到各个方向。通过分离逆时针和顺时针旋转的两种模式，就可以确认检测到了纳米微粒。

　　该研究团队除了阐释传感器的微型拉曼激光器，还指出了利用固有增益机制的可能性，例如拉曼增益和参数增益，这将替代光染料、稀土离子或量子点，从而补偿光学和等离子系统的损耗。

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