新型传感器有望检测出更小的粒子、病毒和小分

　　华人女科学家及其团队开发出一种新型传感器，可以将检测级别提高到10nm，并实现逐一计数。研究人员表示，该传感器有望检测出更小的粒子、病毒和小分子。

　　当谐振腔中产生拉曼激光光束，它可能会遇到一个环形圈上的粒子，比如病毒微粒。这条光束会先分成两束，之后两条激光束会作为彼此的参照，从而形成一个自参考（self-referenced）传感模式。（图片来源：J. Zhu， B. Peng， S.K. Ozdemir， L. Yang）

　　我们身边时时刻刻存在着约1nm大小的纳米颗粒。尽管它们很微小，但对人类健康影响巨大。这些微粒既可以帮助医生治疗早期癌症，同时也会通过病毒、空气污染、尾气排放、化妆品、防晒霜或电子产品等方式侵害人体健康。

　　由圣路易斯华盛顿大学（Washington University）电气和系统工程副教授杨兰（LanYang）博士带领的研究小组，同清华大学合作开发出了一种新型传感器，可以将检测级别提高到10nm，并实现逐一计数。研究人员表示，该传感器有望检测出更小的粒子、病毒和小分子。

　　该研究结果刊登在2014年9月1日《美国国家科学院学报》（Proceedings of the National Academy of Sciences）的在线早报上。

　　杨教授及其同事研发除了基于二氧化硅晶片的微型拉曼激光传感器，可用以探测单个纳米微粒，不再需要将稀土离子（rare-earth ions）涂覆在硅晶片来为激光器提供光增益。传统方法中，将附加物覆盖到微谐振腔需要更多的处理步骤、成本，以及更高的生物相容性风险。除此之外，利用稀土离子需要与离子能量转换相匹配的特定泵浦激光，才能获得光学增益，因而不同的稀土离子需要不同的泵浦光。杨教授说，利用拉曼光谱检测可以降低对泵浦光的光谱限制，因为可以用任意波长的泵浦光实现受激拉曼散射。

　　该课题组的研究科学家、本文**作者Sahin Kaya Ozdemir博士表示：这为我们的研究提供了方便，可以通过控制激光频率，在不同环境下使用同一种无掺杂传感器。例如，仅仅改变泵浦光的波长就可以得到环境的*小吸收波段或匹配目标纳米微粒的特性。

　　杨兰的研究团队利用其开创的模态分离技术（mode splitting）将拉曼激光整合到一个硅微腔中，来研发这种对纳米微粒检测能力更强的新型传感器。该技术将有利于电子、声学、生物医学、等离子、安全以及超材料领域。

　　他们的这类微传感器被称为回音廊模式谐振腔（whispering gallery mode resonators，WGMRs），因为它的工作方式类似于圣保罗大教堂里著名的回音廊，在圆顶的一端可以听到另一端的人所说的话。杨兰团队的设备利用了类似的原理，只是利用光波代替了声波。

　　早期的谐振腔较之新型的形态学谐振腔不同的是，它们没有反射镜。杨兰团队的WGMR实际上是一种微型激光器，支持频率简并模式（frequency degenerate modes），即激光器环形圈内部的频率相同。拉曼激光器的一部分光逆时针旋转，另一部分瞬时间旋转。一旦粒子落在环上并分散这些模式的能量，一条拉曼激光就会分裂成两条不同频率的激光。

　　当谐振腔中产生拉曼激光光束，它可能会遇到一个环形圈上的粒子，比如病毒微粒。这条光束会先分成两束，之后两条激光束会作为彼此的参照，从而形成一个自参考（self-referenced）传感模式。

　　Ozdemir说：我们的新型传感器不同于早期的回音廊传感器，因为它依赖拉曼增益，而这是二氧化硅固有的特性，从而不必再用增益介质（稀土离子或光染料）涂覆微腔来提高检测能力。它同时保留了二氧化硅的生物相容性，对于生物介质传感有很大的应用前景。

　　杨兰博士表示，不论用什么波段的光，只要激光器内部具有拉曼激光循环，并且有微粒停留在环形圈上，当光束遇到微粒就会分散到各个方向。通过分离逆时针和顺时针旋转的两种模式，就可以确认检测到了纳米微粒。

　　该研究团队除了阐释传感器的微型拉曼激光器，还指出了利用固有增益机制的可能性，例如拉曼增益和参数增益，这将替代光染料、稀土离子或量子点，从而补偿光学和等离子系统的损耗。