Ny sensor til hviskende galleri-type til detektion af enkelt nanopartikler

Ultrasensitiv detektion af nanoskala partikler har anvendelser inden for vigtige områder lige fra miljøovervågning til analyse af virale strukturer. Imidlertid, det forbliver ekstremt vanskeligt på grund af ultralav polariserbarhed af små, lavindekspartikler. Et team ledet af professor Xiao Yun-Feng ved Peking University, samarbejdede med Yonsei University of Republic of Korea, demonstrerede eksperimentelt, at den dissipative interaktion i en optisk mikrokavitet med høj Q muliggør påvisning af enkelte nanopartikler. Dette værk er blevet offentliggjort i en nylig udgave af Fysisk gennemgang anvendt .

I løbet af de sidste par år har optiske mikro-hulrum med høj Q har vist et stort potentiale i registreringsapplikationer på grund af den stærkt forbedrede lysstof-interaktion deri. Den konventionelle registreringsmekanisme, imidlertid, er nødt til at stole på den reaktive interaktion. Reaktiv sansning er begrænset af partikelens polariserbarhed, og vil mislykkes, når den virkelige del af polariserbarheden nærmer sig nul. I publikationen forfatterne påpegede, at den dissipative interaktion åbner en kanal i hulrumstilstandens forfald og resulterer i ændring af resonanslinjebredden, som danner et effektivt registreringsskema, selv når den virkelige del af analytpolarisering nærmer sig nul, fordi signalstørrelsen bestemmes af absorptionstabet og sidespredning af partiklen.

I forsøget, Detektion af enkeltguld -nanoroder bruges til at vurdere sanseydelsen. "Guldnanoroden med en størrelse på 40 nm × 16 nm er en perfekt kandidat til at teste mikrokavitetssensoren af ​​to grunde. Den ene er, at polariserbarheden af ​​denne nanopartikel kan indstilles ved at variere sondebølgelængden. Den anden er, at overfladens plasmonresonans af partiklen i denne dimension falder sammen med en af ​​vores sondebølgelængder i eksperimentet, hvor den virkelige del af polariserbarheden bliver til nul, sandsynligvis ugyldiggør den reaktive sansemetode, men styrker den afledende, "sagde Dr. YanyanZhi, postdoktoral forsker og en af ​​de første medforfattere til dette værk.

Forskerne undersøgte eksperimentelt både de reaktive og dissipative sansemetoder ved at overvåge tilstandsskiftet og ændringen i linewidth af høj-Q hulrumsresonans, henholdsvis. De fandt ud af, at det reaktive registreringssignal ikke kan skelnes fra støjene, når sondebølgelængden er ved plasmonisk resonans, hvor nanorodpolarisering nærmer sig nul; den foreslåede dissipative sansemetode fungerer stadig godt, hvilket er i overensstemmelse med de teoretiske forudsigelser. Den forventede detektionsgrænse kan nå 13 nm × 5 nm, som er cirka 12 gange mindre i volumen end der kan detekteres ved den reaktive sansemetode.

Denne dissipative sansemetode giver ikke kun en ny fysisk mekanisme til registrering af mikrohulrum, men repræsenterer også et betydeligt skridt i retning af praktiske optiske sensorer inden for analytisk kemi, Miljøvidenskab, og molekylærbiologi.

"Praktisk talt, det er klar til, at både mode skift og linewidth ændring af cavity mode kan måles samtidigt, og dermed er de fælles reaktive og de foreslåede dissipative sansemetoder kompatible med hinanden, "sagde prof. Xiao, "Kombinationen af ​​disse to sansemetoder tilføjer nye dimensioner til det, der kan måles ved hjælp af hver af de to metoder alene. Den dissipative sansemetode ved hjælp af en høj-Q-mikrohule giver en fantastisk platform til påvisning af små enkeltpartikler, såsom vital virus, partikler i den forurenede luft, tabende partikler i fremstillingsprocessen, og andre nanopartikler under interesse. "