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研究人员开发出新型传感器可检测纳米微粒

作者:佚名 来源:网络 时间:2014-09-23 

 由圣路易斯华盛顿大学电气和系统工程副教授杨兰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》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“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SahinKayaOzdemir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,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”,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,传感器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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       信息光子学研究室于2001年在原先几个小型研究室的基础上整合而成,并于2004年正式更名为信息光子学研究室,也是在国内最早提出“光子学”研究的单位之一。研究室主要开展信息光学、光纤与集成光学、光电功能材料学、微光学、聚合物微结构光学、微纳光子学、偏振光学、多光子与生物医学成像、太赫兹波谱检测与传输和应用、光电混合信息处理(传感)等诸方面的研究与开发。

       研究室现有固定人员20人。其中研究员2名,副研究员及高级工程师3名,助理研究员和工程师2人,高级工3人,研究实习员和助理工程师7人,中级工1人。其中博士生/硕士生导师5人。此外,研究室还聘请有退休老专家2人。

       研究室设立有光学、光学工程及材料物理与化学三个专业招收博士研究生和硕士研究生。目前有在读博士生8人,在读硕士生8人。

       研究室先后承担国家自然科学重大基金项目1项,重点基金3项,面上项目10余项,国家863项目5项,中科院知识创新项目3项等。获得国家科技进步二等奖1项,中科院科技进步二等奖2项,陕西省科技一等奖1项,国家级重点新产品1项,国家“863”重大科研任务先进个人、先进集体奖1项,获发明专利10余项。

       研究室也着力于民用产品市场的开发,在特种光纤、特种玻璃、光纤传感等方面的数十个项目中取得了很好的科研成果。其中自聚焦透镜(自主专利)、GF-86银玻璃粉、塑料光纤等已投入批量生产,获得了重大的经济效益和良好的社会效益。

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