新型納米激光探測(cè)技術(shù)靈敏度高成本低

　　記者從北京大學(xué)獲悉，該校馬仁敏研究員和戴倫教授合作，實(shí)現(xiàn)了一種新型激光增強(qiáng)表面等離激元探測(cè)技術(shù)。

　　這種新型探測(cè)技術(shù)的強(qiáng)度探測(cè)品質(zhì)因子比傳統(tǒng)的表面等離激元（SPR）探測(cè)器高400倍左右。同時(shí)成本低，尺寸僅為微米量級(jí)，在一根頭發(fā)絲的端面上即可制備數(shù)以千計(jì)的探測(cè)器。

　　“該探測(cè)器所具有的極高靈敏度、低成本和小體積的特點(diǎn)可能會(huì)使其在疾病的早期診斷、公共場(chǎng)所的安全監(jiān)測(cè)和環(huán)境食品衛(wèi)生等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。”馬仁敏說。

　　表面等離激元是一種局域在金屬介質(zhì)界面的局域電磁模式，通過將光頻段的電磁波與貴金屬中的自由電子的振蕩耦合，將電磁場(chǎng)的能量限制在很小的尺度內(nèi)，其振蕩頻率對(duì)周圍環(huán)境非常敏感。通過探測(cè)由周圍折射率變化引起的等離激元共振模式的變化形成的表面等離激元探測(cè)器是一種實(shí)時(shí)和不需要熒光標(biāo)記的新型探測(cè)器。近20年以來，其在疾病診斷、生物化學(xué)研究與應(yīng)用和環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域取得了非常大的成功。

　　馬仁敏說，用于產(chǎn)生等離激元共振的金屬中自由電子的振蕩所帶來的歐姆損耗在傳統(tǒng)的等離激元探測(cè)器中不可避免，從基本物理原理上來講，是進(jìn)一步提高探測(cè)器靈敏度的障礙。馬仁敏研究小組將激光原理引入到了表面等離激元探測(cè)器中，利用激光中的受激輻射光放大補(bǔ)償了歐姆損耗，在前期氣相超靈敏爆炸物檢測(cè)的基礎(chǔ)上(Nature Nanotechnology, 2014)，實(shí)現(xiàn)了液相激光增強(qiáng)表面等離激元（LESPR）探測(cè)器。

　　新的探測(cè)器主要包括金屬層和增益介質(zhì)層，增益介質(zhì)層形成在金屬層上；在增益介質(zhì)層和金屬層的界面上形成表面等離激元模式，此模式由增益介質(zhì)層的邊界限制從而形成表面等離激元激光腔；待測(cè)液體覆蓋在增益介質(zhì)層上；激發(fā)光經(jīng)過待測(cè)液體入射至增益介質(zhì)層，增益介質(zhì)在激發(fā)光的泵浦下產(chǎn)生受激輻射，經(jīng)由激光腔反饋放大產(chǎn)生表面等離激元激光，該表面等離激元激光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度與待測(cè)液體的折射率有關(guān)。

　　在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了戴倫教授合成的發(fā)光波長(zhǎng)在700納米左右的硒化鎘納米晶體作為增益材料，其發(fā)光波長(zhǎng)正好位于生物組織和水散射和吸收較小的700納米到900納米的窗口波長(zhǎng)。相比于通常應(yīng)用于等離激元激光中的金屬銀，他們使用了金。

　　“金雖然具有較高的歐姆損耗，但其化學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)比銀穩(wěn)定，適合應(yīng)用于生物和其他復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用。”戴倫教授說。

　  在實(shí)驗(yàn)中，除了預(yù)期的激光效應(yīng)補(bǔ)償歐姆損耗使得等離激元共振的諧振線寬顯著變窄意外，他們還發(fā)現(xiàn)激光增強(qiáng)表面等離激元探測(cè)器具有傳統(tǒng)表面等離激元探測(cè)器所不具有的高斯光譜線型和無背景輻射的優(yōu)點(diǎn)。

　　“這些特點(diǎn)使激光增強(qiáng)表面等離激元探測(cè)器具有高達(dá)84000的強(qiáng)度探測(cè)品質(zhì)因子，比傳統(tǒng)的表面等離激元探測(cè)器的強(qiáng)度探測(cè)的品質(zhì)因子高400倍左右。”馬仁敏說，“同時(shí)，因?yàn)槭褂昧宋⑶恍?yīng)，整個(gè)激光增強(qiáng)表面等離激元探測(cè)器的尺寸僅為微米量級(jí)，在一根頭發(fā)絲的端面上即可制備數(shù)以千計(jì)的探測(cè)器，具有低成本、小型化、規(guī)模化集成的優(yōu)點(diǎn)。”

　　該工作目前已被領(lǐng)域內(nèi)的知名期刊Nanophotonics接收發(fā)表，北京大學(xué)博士后王興遠(yuǎn)，博士生王逸倫和王所為文章共同第一作者，馬仁敏研究員和戴倫教授為通訊作者。同時(shí)他們也為該探測(cè)器申請(qǐng)了發(fā)明專利。（劉霞）