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,并被同期评述为“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”)。
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,如上图所示。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地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,创新团队成员创新地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,如下图。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。
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。
编辑:安宁
下一篇::吴学兵团队利用国内2米级光学望远镜新发现几十个高红移亮类星体
- 焦宁教授研究团队在醇类分子选择性官能团化方面取得紧张进展
- 物理学院吕劲团队发现新型二维材料 或续写摩尔定律对晶体管的预言
- 生科李毓龙研究组在Cell发文展示新型基因编码的多巴胺荧光探针
- 生命科学学院汤富酬研究组与合作者揭示骨关节炎软骨退变发病机制
- 地空学院许成、张立飞和费英伟联合团队合作发现古元古代现今板块构造的岩石学证据
- 地空学院何建森团队及其合作者实现对加热太阳大气激波的综合定量诊断
我有话说
最新文章
- 1教育部专家组来我院开展基本
根据教育部工作部署,2018年5月24日教育部直......
- 2北京市委常委、宣传部部长杜
7月16日下午,中共北京市委常委、宣传部部长......
- 3焦宁教授研究团队在醇类分子
2018年7月6日,NatureCommunications(《自然......
- 4Nature Biotechnology报道生
2018年7月9日,北京大学生命科学学院、北大-......
- 5物理学院吕劲团队发现新型二
近年来,半导体行业总是笼罩在摩尔定律难以为......
热门文章
- 1电镜实验室高鹏等在最薄的钙钛矿
铁电薄膜在数据储存、传感、表面催化等方面...
- 2北京大学-腾讯协同创新实验室关于
日前,《国家科学评论》(NationalScienceRev...
- 3北京大学乔杰和汤富酬团队合作研
2017年4月27日,北京大学第三医院乔杰教授团...
- 4信息学院杨玉超研究员黄如院士课
忆阻器是近年来备受关注的新型纳米器件,在新...
- 5工学院陈匡时课题组在单分子成像
最近,北京大学工学院生物医学工程系陈匡时课...