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“极端光学创新研究团队”在超高灵敏光学微腔传感研究中取得新进展

超高灵敏传感检测技术在环境监控、重大疾病早期预防和生化安全等方面具有十分重要的意义。然而,当待测颗粒物浓度极低且尺寸进入纳米量级时,检测变得极为困难。日前,北京大学物理学院“极端光学创新研究团队”肖云峰研究员和龚旗煌院士在利用超高品质因子光学微腔增强传感灵敏度的基础上,开发出了一种基于耗散型相互作用的无标记传感技术,并成功实现了纳米尺度单颗粒的实时检测。这项最新研究成果近日在线发表在《物理评论:应用》(Physical Review Applied 5, 02401 (2016))上,并同期评述为“朝着实用化光学传感迈进了重要一步”(“This innovative approach presents a significant step towards practical optical sensors for use in physics, analytical chemistry, environmental science, and molecular biology”)。

图1:片上光学微腔传感示意图。

研究小组人员采用的微腔为微芯圆环腔,如图1所示。光在旋转对称微腔的内表面发生连续全反射,干涉叠加形成回音壁共振模式,其原理类似于声音在北京天坛回音壁的墙面传播,故而得名。超高品质因子回音壁模式极大的增强了光与待测物质之间的相互作用,因而传感灵敏度得到显著提升,吸引了国际学术界越来越多的关注。北京大学“极端光学创新研究团队”已在光学微腔传感方面取得了一系列高水平的原创成果。他们利用微腔增强的背向散射和微腔拉曼激光均实现了单个纳米颗粒的检测【PNAS 111(41), 14657(2014); Advanced Materials 25(39), 5616 (2013)】,成果入选“2014年度中国高校十大科技进展”。

传统的光学微腔传感机制主要基于色散型相互作用,依赖于待测颗粒在腔模电场下的极化率实部。因此,当待测物的极化率实部趋于零时,色散型传感机制失效。为了解决这个问题,创新团队成员创新的提出了基于耗散型相互作用的传感机制,其主要依赖于待测颗粒的极化率虚部,具体表现为微腔模式的线宽变化。实验上,他们以单个金纳米棒(40 nm × 16 nm)作为检测对象来评估传感器性能:当传感器工作在等离激元共振时,金棒极化率实部趋于零,导致色散型传感无法获得有效信号;而耗散型传感机制由于响应其虚部,则以较高信噪比实现了单个纳米颗粒的检测,如图2。基于耗散型相互作用的微腔传感机制不但有利于检测具有吸收性能的纳米颗粒,而且可以进一步结合色散型传感,得到待测颗粒的更多信息,从而扩充了纳米尺度单颗粒检测的维度。

图2:微腔传感的实时信号:模式线宽(a)与模式移动(b),分别为耗散型和色散型相互作用引起的模式变化。台阶信号表示单个纳米颗粒的吸附事件。耗散型相互作用引起的信号强度远大于色散型,且可识别更多的单颗粒吸附事件。

系列研究工作得到了科技部973计划、国家自然科学基金委项目、人工微结构和介观物理国家重点实验室及2011协同创新中心的支持。

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