Lille ringlaser detekterer og tæller nanopartikler nøjagtigt

(PhysOrg.com) -- En mikrolaser, der ikke er større end et nålestik, kan nøjagtigt detektere og tælle individuelle vira, de partikler, der starter skydannelsen eller dem, der forurener den luft, vi indånder.

En lille doughnut-formet laser er det seneste vidunder af silicium mikrominiaturisering, men i stedet for at manipulere bits detekterer den meget små partikler. Små partikler spiller en stor – og stort set ubemærket – rolle i vores hverdag. Viruspartikler gør os syge, saltpartikler udløser skydannelse, og sodpartikler siler dybt ned i vores lunger og gør det sværere at trække vejret.

Sensoren tilhører en kategori kaldet hviskende galleriresonatorer, som fungerer som det berømte hviskegalleri i St. Paul's Cathedral i London, hvor nogen på den ene side af kuplen kan høre en besked, der bliver talt til væggen af ​​en på den anden side. I modsætning til kuplen, som har resonanser eller søde pletter i det hørbare område, sensoren resonerer ved lysfrekvenser.

Lys, der rejser rundt i mikrolaseren, forstyrres af en partikel, der lander på ringen, ændring af lysets frekvens. Ringen kan tælle touch-down af så mange som 800 nanopartikler, før signalerne begynder at gå tabt i støjen. Ved at spændende mere end én tilstand i ringen, videnskabsmænd kan dobbelttjekke nøjagtigheden af ​​tællingen. Og ved at ændre "forstærkningsmediet, ” de kan tilpasse sensoren til vand frem for luft.

Lan Yang, PhD, assisterende professor i el- og systemteknik ved Washington University i St. Louis, som leder teamet, der fremstillede den nye sensor, siger, at der allerede er livlig interesse for dets kommercialisering inden for områder lige fra biologi til aerosolvidenskab. Sensoren er beskrevet og karakteriseret i onlineudgaven af ​​Nature Nanotechnology den 26. juni.

Hviskende galleriresonator bliver til mikrolaser

En hviskende galleriresonator understøtter "frekvensdegenererede tilstande" (tilstande, eller mønstre af excitation i ringen, med samme frekvens, den ene bevæger sig med uret og den anden mod uret rundt om ringen.

Tilstandsfelterne har "evanescerende haler", der trænger ind i ringens overflade og sonderer det omgivende medium. Når en partikel lander på et af "hot spots", spreder den energi fra en af ​​tilstandene til den anden, og tilstandene vedtager lidt forskellige resonansfrekvenser. Dette kaldes modeopdeling.

I et tidligere værk, Yang-teamet brugte modeopdeling i en simpel glasring, der fungerede som en bølgeleder for lys koblet ind i den udefra. Fordi ringen var passiv, den eksterne laser skulle være en dyr afstembar laser, så den kunne scanne et frekvensområde på udkig efter ringens resonanser for at måle modusopdeling. (For mere information om denne sensor se "Lille lille sensor måler nanopartikler.")

Den nye sensor adskiller sig fra tidligere hviskende galleriresonatorer ved, at den i sig selv er en miniaturelaser i stedet for en ekstern lasers resonanshulrum.

Den nye sensor er også af glas, men glas fyldt med atomer af de sjældne jordarters elementer, der tjener som et "forstærkningsmedium." Glasset er dopet med sjældne jordarters atomer, og når en ekstern lyskilde booster nok af dem til en ophidset tilstand, ringen begynder at smelte ved sin egen foretrukne frekvens.

Når en partikel lander på mikrolaseren, en enkelt laserlinje opdeles i to lidt forskellige frekvenser.

En simpel måde at måle frekvensopdelingen på er at blande de opdelte lasertilstande i en fotodetektor, som frembringer en "slagfrekvens", der svarer til frekvensforskellen.

"De små sensorer er masseproduceret ved sol-gel-metoden på siliciumwafer, og det er nemt at skifte forstærkningsmediet” siger Lina He, en kandidatstuderende og første forfatter af papiret. "Resonatorerne er lavet ved at blande de foretrukne sjældne jordarters ioner i en opløsning af tetraethoxysilan, vand og saltsyre. Opløsningen opvarmes, indtil den bliver tyktflydende, og spin-coates derefter på en siliciumwafer og udglødes for at fjerne opløsningsmidler og fuldføre overgangen til amorft glas. Den tynde film af glas ætses derefter for at skabe silicaskiver, der understøttes nedenunder af siliciumsøjler. Som et sidste skridt, de uslebne silica-skiver flyder tilbage til glatte toroider ved laserudglødning."

Aktiv sensor overgår den passive

"Lyset, der bruges til sansning, genereres inde i selve resonatoren, og så er det renere end lyset i den passive sensor, " siger Yang "Når lyset ikke er så rent, du kan muligvis ikke se små frekvensændringer. Men den aktive sensor rammer én frekvens - den har en virkelig smal linjebredde - og så er den meget mere følsom."

Mikrolaseren er størrelsesordener mere følsom end den passive resonator, hun siger. Dens effektive opløsningsgrænse er omkring en nanometer. En nanometer er til en meter, hvad en marmor er for Jorden.

I øvrigt, fordi laseren nu er i ringen i stedet for koblet til den, hele systemet er enklere og mere selvstændigt. "Nu mangler du bare en lyskilde til at excitere det optiske medium, " siger Yang, "og du kan bruge en billig laserdiode til det i stedet for en dyr afstembar laser."

Detektering af mange partikler

Effekten af ​​en partikel på en lasertilstand afhænger af partiklens "polariserbarhed, ” som er en funktion af dens størrelse og brydningsindeks. For at dække mulighederne, Washington University-teamet testede mikrolaserens ydeevne med nanopartikler af forskellige størrelser lavet af forskellige materialer, inklusive polystyren (pakning af jordnødder), virioner (viruspartikler) og guld.

Efterhånden som partikler kommer ind i "tilstandsvolumen" af mikrolaseren én efter én, forskerne kan se et diskret opadgående eller nedadgående spring i slagfrekvensen. Hvert diskret hop signalerer bindingen af ​​en partikel på ringen, og antallet af spring afspejler antallet af partikler.

Fordi "resonatorfeltet" fanger partiklerne på resonatoren, engang landet, de falder sjældent af. Men holdet fandt ud af, at de var i stand til at tælle mange partikler, før tabene induceret af partiklerne gjorde laserlinjebredderne så brede, at de ikke kunne registrere ændringer i frekvensdeling på grund af den seneste ankomst.

For eksempel, de var i stand til at detektere og tælle så mange som 816 guldnanopartikler ved hjælp af den samme lasertilstand.

"Når linjeudvidelsen kan sammenlignes med ændringen i opsplitning, så er du færdig, " siger Yang. "Men hele resonatoren er fremstillet på chippen, så du kan bare gå videre til den næste resonator, hvis det er nødvendigt."

Fordobling for nøjagtighed

Mikrolaseren kan understøtte mere end én lasertilstand ad gangen. "Ved at kontrollere overlapningen af ​​pumpelyset med forstærkningsmediet, du kan excitere mere end én laserlinje, " siger Sahin Kaya Ozdemir, PhD, forskningsmedarbejder og medforfatter. "Så når en partikel lander på ringen, hver laserlinje opdeles i to, og generere en beat-frekvens. Så du vil have to slagfrekvenser i stedet for én."

Det er en fordel, han forklarer, fordi slagfrekvensen til dels afhænger af, hvor partiklen lander på ringen. Hvis der kun er én laserlinje, og partiklen falder mellem "hot spots", bliver den muligvis ikke detekteret. Den anden slagfrekvens forhindrer disse "falske negativer, ”, der sikrer, at hver partikel producerer en detekterbar slagfrekvens.

Påvisning af partikler i vand

Mikrolaserne beregnet til at registrere partikler i luft var blevet dopet med erbium, et sjældent jordarters element, hvis optiske egenskaber passer godt til luftens. I et sidste eksperiment designet til at se, om denne teknik kunne bruges til at fornemme partikler i vand eller blod, holdet fremstillede sensorer, der var dopet med ytterbium i stedet for erbium. Ytterbium laser ved bølgelængder med lav absorption af vand.

Yangs team er allerede begyndt at arbejde på at gøre brug af den øgede følsomhed, som mikrolaseren giver til at studere forskellige problemer. Med hensyn til applikationer, "den kortsigtede brug vil være overvågning af partiklers dynamiske adfærd som reaktion på miljømæssige og kemiske ændringer ved enkelt partikelopløsning, " siger Yang.

Det næste skridt, holdet ser er at konstruere overfladen af ​​disse små mikrolasere for at detektere DNA og individuelle biologiske molekyler. Hvis DNA'et er mærket med konstruerede nanopartikler, mikrolasersensoren kan tælle individuelle DNA-molekyler eller fragmenter af molekyler.

Når man lytter til Yang, er det svært at undslippe indtrykket af, at man for første gang hører om en forbløffende enhed, der en dag vil være lige så allestedsnærværende - og sandsynligvis lige så undervurderet --- som de logiske porte i vores mikrobølger, mobiltelefoner og biler.