華人女科學家及其團隊開發(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。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(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(tǒng)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(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。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(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(xiàn)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(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(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。該技術將有利于電子、聲學、生物醫(yī)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，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(tài)學諧振腔不同的是，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(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。

當諧振腔中產生拉曼激光光束，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(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(huán)，并且有微粒停留在環(huán)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(tǒng)的損耗。