Neuer Sensor entwickelt, um kleine einzelne Nanopartikel erkennen

Nanopartikel , technische Werkstoffe über ein Milliardstel Meter groß sind um uns jeden Tag. Auch wenn sie klein sind, können sie der menschlichen Gesundheit zugute kommen kann , wie in einigen innovativen frühen Krebs-Behandlungen , aber sie können auch mit ihm durch Viren, Luftverschmutzung, Verkehrsemissionen , Kosmetika, Sonnenschutzmittel und Elektronik stören.


Das Bild zeigt Reihen von selbst verwiesen und SelbstlagertWhispering - Gallery -Raman- Mikrolaser für einzelne Nanopartikel -Erkennung. Eine "Pumpe" Laser erzeugt einen einzelnen Raman Lasermode innerhalb der Silika -Resonatoren . Nach der Landung eines Nanopartikels auf den Resonator , Raman-Lasers zirkuliert im Resonator unterziehen Modus Aufspaltung führt zu zwei neuen Lasermoden in verschiedenen Farben. Beobachten der Änderungen in der Farbdifferenz ( Frequenzdifferenz ) ermöglicht Detektieren und Messen von Nanopartikeln mit Einzelpartikelauflösung.
Bildnachweis: J. Zhu , B. Peng, S. K. Özdemir , L. Yang

Ein Team von Forschern an der Washington University in St. Louis, von Lan Yang , PhD, der Familie Das Career Development Associate Professor in Elektrische geführt

Die Forschung wird in den Proceedings of the National Academy of Sciences Online Early Edition .

Yang und ihre Kollegen haben den Raman Mikrolasersensorin einer Siliziumdioxid- Chip geschaffen, um einzelne Nanopartikel ohne die Notwendigkeit, " dope" der Chip mit Chemikalien genannt Seltenerdionen um eine optische Verstärkung für den Mikrolaser bereitzustellen finden. Einbeziehung Ergänzungen der Mikroresonator schafft die Notwendigkeit für weitere Verarbeitungsschritte und erhöhte Kosten und lädt Biokompatibilität Risiken. Darüber hinaus ist die Anwendung von Seltenerdmetall- Ionen erfordert spezielle "Pumpe" Laser Anpassung der Energieübergänge der Ionen um eine optische Verstärkung zu erzeugen , so dass für verschiedene Seltenerdmetall- Ionen verschiedene Pumplaser verwendet werden. Mit der Raman -Prozess löst die Anforderung bestimmter Wellenlängenbereiche für Pumplaser , weil Raman-Verstärkung kann mit Pumpe jederWellenLängenBereicherhalten werden kann, sagt Yang .


Raman Streuprozeß : Ein Photon mit kürzerer Wellenlänge aus einem "Pump" Laser verliert Teil seiner Energie für die von Siliciumdioxid Moleküle gestreut und wird zu einem "Signal" Photon längerer Wellenlänge (wie Raman-Signal bezeichnet ) zusammen mit einem " Phononen umgewandelt. " Summe der Energien der Signalphoton und dem Phonon ist gleich der Energie des Pumpphoton . Signalphotonen in der Whispering-Gallery -Mode- Resonator werden dann kohärent verstärkt , was zu Raman-Laser .
Bildnachweis: J. Zhu , B. Peng, S. K. Özdemir , L. Yang

"Dies gibt uns den Vorteil der Verwendung des gleichen Dotierungsfreier Sensor bei unterschiedlichen Erfassungs Umgebungen durch Anpassen der Laserfrequenz für die spezielle Umgebung , beispielsweise bei dem Band, in dem die Umgebung hat minimale Absorption und für die Eigenschaften der Ziel Nanopartikel nur die Änderung der Wellenlänge des Pumplasers ", sagt Sahin Kaya Özdemir , PhD, ein Wissenschaftler in Yangs Gruppe und der erste Autor des Papiers .

Yangs Team integriert Raman- Lasern in einer Silica- Mikroresonator mit der Modenaufteilungsverfahrenvon ihrer Gruppe Pionierarbeit , um eine neue , leistungsstarke Sensor, der leichter erkennt Nanopartikel zu entwickeln. Die Technologie wird die Elektronik , Akustik, Biomedizin, Plasmonik , Sicherheit und Metamaterialien Bereichen profitieren.

Yangs Mikrosensor ist eine Klasse namens Whispering-Gallery- Mode -Resonatoren ( WGMRs ), weil es funktioniert ähnlich wie die renommierten Whispering Gallery in der Londoner St. Pauls Cathedral , wo eine Person auf der einen Seite der Kuppel kann eine Nachricht auf die Wand von einer anderen Person gesprochen hören auf der anderen Seite . Yangs Gerät tut viel die gleiche Sache mit Lichtfrequenzen und nicht hörbar diejenigen .

Einer der Hauptunterschiede zwischen frühen Resonatoren und dem Roman Resonator , als Morphologie abhängig Resonator genannt, war sie nicht nutzen Spiegel, um Licht zu reflektieren. Yang WGMR eine tatsächliche Mini- Laser, der " Frequenz degenerierten Modi " Erregungsmuster innerhalb des Mini- Laser torusförmigen Ring, der von der gleichen Frequenz sind unterstützt . Ein Teil des Lichts von der Raman -Laserbalkengeht gegen den Uhrzeigersinn , eine andere geht im Uhrzeigersinn. Wenn ein Teilchen landet auf dem Ring und streut Energie zwischen diesen Modi teilt sich die einzelnen Raman- Laserlinie in zwei Laserlinienmit unterschiedlichen Frequenzen .

Wenn ein Raman- Laserstrahl in dem Resonator erzeugt wird, wird er vermutlich eine Kornsaver , wie ein Virus -Nanopartikel auf dem Kreis . Wenn der Strahl zunächst sieht den Korn teilt sich der Strahl in zwei , Erzeugen von zwei Laserlinien, die als Referenz auf die andere dazu dienen, eine selbstreferenzierten Erfassungstechnik zu bilden.

"Der neue Sensor unterscheidet sich von den früheren Whispering Gallery Sensoren , daß sie auf der Raman- Verstärkung , die inhärent Kieselsäure ist, wodurch die Notwendigkeit für die Dotierung des Mikroresonator mit Verstärkungsmedien , beispielsweise Seltene- Erden-Ionen oder optischer Farbstoffe, die Erkennung zu steigern stützt Fähigkeit ", so Özdemir . " Dieser neue Sensor behält die Biokompatibilität von Kieselsäure und weit verbreiteten Einsatz zur Messung in biologischen Medien finden konnte. "

" Es spielt keine Rolle , welche Art von Wellenlängen verwendet wird, sobald Sie die Raman-Laser zirkulierenden innen und es gibt ein Molekül sitzt auf dem Kreis, wenn der Strahl sieht die Partikel es in allen möglichen Richtungen zu streuen ", sagt Yang . "Anfangs Sie gegen den Modus und geben dann im Uhrzeigersinn Modus und durch die Analyse der Charakterisierung der beiden Split -Modus haben , bestätigen wir die Erfassung von Nanopartikeln. "

Neben dem Nachweis der Raman Mikrolasern für die Partikelerfassung , sagt das Team ihre Arbeit zeigt die Möglichkeit der Verwendung von inneren Verstärkungsmechanismen , wie Raman und parametrische Verstärkung anstelle optischer Farbstoffe, Seltenerdionen oder Quantenpunkte , zum Ausgleich von Verlusten in optische und Plasmonen Systeme, bei denen Ableitung behindert Fortschritte und Grenzen Anwendung .