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(shuō)。
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(guò)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?chē)h(huán)境非常敏感。通過(guò)探測(cè)由周?chē)凵渎首兓鸬牡入x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(lái)，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(shuō)，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(lái)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(lái)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(guò)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(shuō)。
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(xiàn)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(xiàn)型和無(wú)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(shuō)，“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)?；傻膬?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(zhuān)利。
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