Nye optiske sensorer svulmer, når de udsættes for målgas

Brug af mikroskopiske polymerlysresonatorer, der udvider sig i nærvær af specifikke gasser, forskere ved MIT's Quantum Photonics Laboratory har udviklet nye optiske sensorer med forudsagte detektionsniveauer i dele-per-milliard-området. Optiske sensorer er ideelle til at detektere sporgaskoncentrationer på grund af deres høje signal-til-støj-forhold, kompakt, letvægts natur, og immunitet over for elektromagnetisk interferens.

Selvom andre optiske gassensorer var blevet udviklet før, MIT-teamet udtænkte en ekstremt følsom, kompakt måde at detektere forsvindende små mængder af målmolekyler. De beskriver deres nye tilgang i journalen Anvendt fysik bogstaver .

Forskerne fremstillede fotoniske krystalhulrum i bølgelængdeskala fra PMMA, en billig og fleksibel polymer, der svulmer, når den kommer i kontakt med en målgas. Polymeren er infunderet med fluorescerende farvestof, som udsender selektivt ved resonansbølgelængden af ​​hulrummet gennem en proces kaldet Purcell-effekten. Ved denne resonans, en bestemt farve af lys reflekteres frem og tilbage et par tusinde gange, før den til sidst siver ud. Et spektralfilter registrerer dette lille farveskift, som kan forekomme ved selv sub-nanometer niveau hævelse af hulrummet, og afslører til gengæld gaskoncentrationen.

"Disse polymerer bruges ofte som belægninger på andre materialer, så de er rigelige og sikre at håndtere. På grund af deres deformation som reaktion på biokemiske stoffer, hulrumssensorer lavet udelukkende af denne polymer fører til en sensor med hurtigere respons og meget højere følsomhed, " sagde Hannah Clevenson. Clevenson er ph.d.-studerende i afdelingen for elektroteknik og datalogi ved MIT, der ledede forsøgsindsatsen i laboratoriet hos hovedforsker Dirk Englund.

PMMA kan behandles til at interagere specifikt med en lang række forskellige målkemikalier, gør MIT-teamets sensordesign yderst alsidigt. Der er en lang række potentielle anvendelser for sensoren, sagde Clevenson, "fra industriel sensing i store kemiske fabrikker til sikkerhedsapplikationer, til miljøsansning ude i marken, til hjemmesikkerhedsapplikationer til påvisning af giftige gasser, til medicinske omgivelser, hvor polymeren kunne behandles for specifikke antistoffer."

De tynde PMMA polymerfilm, som er 400 nanometer tyk, er mønstret med strukturer, der er 8-10 mikrometer lange og 600 nanometer brede og ophængt i luften. I et eksperiment, filmene blev indlejret på silkepapir, hvilket gjorde det muligt for 80 procent af sensorerne at blive ophængt over luftspalterne i papiret. At omringe PMMA-filmen med luft er vigtigt, Clevenson sagde, både fordi det tillader enheden at svulme, når den udsættes for målgassen, og fordi luftens optiske egenskaber gør det muligt at udforme enheden til at fange lys, der rejser sig i polymerfilmen.

Holdet fandt ud af, at disse sensorer let kan genbruges, da polymeren krymper tilbage til sin oprindelige længde, når den målrettede gas er blevet fjernet.

Den nuværende eksperimentelle følsomhed af enhederne er 10 dele per million, men holdet forudser, at med yderligere raffinement, de kunne detektere gasser med del-per-milliard koncentrationsniveauer.