“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”在超高靈敏光學(xué)微腔傳感研究中取得新進(jìn)展

時(shí)間：2016-03-07 09:34  作者：  來(lái)源：北大新聞網(wǎng)

　　超高靈敏傳感檢測(cè)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)控、重大疾病早期預(yù)防和生化安全等方面具有十分重要的意義。然而，當(dāng)待測(cè)顆粒物濃度極低且尺寸進(jìn)入納米量級(jí)時(shí)，檢測(cè)變得極為 困難。日前，北京大學(xué)物理學(xué)院“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”肖云峰研究員和龔旗煌院士在利用超高品質(zhì)因子光學(xué)微腔增強(qiáng)傳感靈敏度的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了一種基于耗 散型相互作用的無(wú)標(biāo)記傳感技術(shù)，并成功實(shí)現(xiàn)了納米尺度單顆粒的實(shí)時(shí)檢測(cè)。這項(xiàng)最新研究成果近日在線發(fā)表在《物理評(píng)論：應(yīng)用》【Physical Review Applied 5, 02401（2016）】上，并被同期評(píng)述為“朝著實(shí)用化光學(xué)傳感邁進(jìn)了重要一步”（“This innovative approach presents a significant step towards practical optical sensors for use in physics, analytical chemistry, environmental science, and molecular biology”）。

　　研究小組人員采用的微腔為微芯圓環(huán)腔，如上圖所示。光在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱微腔的內(nèi)表面發(fā)生連續(xù)全反射，干涉疊加形成回音壁共振模式，其原理類似于聲音在北京 天壇回音壁的墻面?zhèn)鞑?，故而得名。超高品質(zhì)因子回音壁模式極大地增強(qiáng)了光與待測(cè)物質(zhì)之間的相互作用，因而傳感靈敏度得到顯著提升，吸引了國(guó)際學(xué)術(shù)界越來(lái)越 多的關(guān)注。北京大學(xué)“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”已在光學(xué)微腔傳感方面取得了一系列高水平的原創(chuàng)成果。他們利用微腔增強(qiáng)的背向散射和微腔拉曼激光均實(shí)現(xiàn)了單個(gè) 納米顆粒的檢測(cè)【PNAS 111（41），14657（2014）；Advanced Materials 25（39），5616（2013）】，成果入選“2014年度中國(guó)高校十大科技進(jìn)展”。

　　傳統(tǒng)的光學(xué)微腔傳感機(jī)制主要基于色散型相互作用，依賴于待測(cè)顆粒在腔模電場(chǎng)下的極化率實(shí)部。因此，當(dāng)待測(cè)物的極化率實(shí)部趨于零時(shí)，色散型傳感機(jī)制失 效。為了解決這個(gè)問(wèn)題，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)成員創(chuàng)新地提出了基于耗散型相互作用的傳感機(jī)制，其主要依賴于待測(cè)顆粒的極化率虛部，具體表現(xiàn)為微腔模式的線寬變化。實(shí)驗(yàn) 上，他們以單個(gè)金納米棒（40 nm × 16 nm）作為檢測(cè)對(duì)象來(lái)評(píng)估傳感器性能：當(dāng)傳感器工作在等離激元共振時(shí)，金棒極化率實(shí)部趨于零，導(dǎo)致色散型傳感無(wú)法獲得有效信號(hào)；而耗散型傳感機(jī)制由于響應(yīng) 其虛部，則以較高信噪比實(shí)現(xiàn)了單個(gè)納米顆粒的檢測(cè)，如下圖?；诤纳⑿拖嗷プ饔玫奈⑶粋鞲袡C(jī)制不但有利于檢測(cè)具有吸收性能的納米顆粒，而且可以進(jìn)一步結(jié)合 色散型傳感，得到待測(cè)顆粒的更多信息，從而擴(kuò)充了納米尺度單顆粒檢測(cè)的維度。

　　系列研究工作得到了科技部973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委項(xiàng)目、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及2011協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。