納米粒子“粒粒在目”

當科學(xué)研究深入到納米領(lǐng)域，由于目標太小難以精確計量，會讓實驗變得難以控制。日前，美國華盛頓大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出一種比針尖還要小的環(huán)形激光傳感器，能精確探測單個病毒、形成云的微塵顆粒以及空氣中的污染物。改變傳感器中的“增益介質(zhì)”，還能用于探測水中甚至血液中的微粒。該研究發(fā)表在6月26日的《自然·納米技術(shù)》網(wǎng)站上。

回音廊式激光傳感器

這種微型激光傳感器屬于一種回音廊式共振傳感器，由硅玻璃制造。工作原理就像英國圣保羅大教堂里著名的回音廊，一邊的人對著廊壁說話，另一邊的人就能聽到。但與回音廊不同的是，這種傳感器共振的不是聲波而是光波。

激光器由底座支起一個“頻率衰減模”（環(huán)路中激光發(fā)射的模式或形狀），兩束激光以相同頻率、相反方向圍繞環(huán)形光路傳播。模場中有一個“短暫尾跡”透過環(huán)表面，探測著周邊環(huán)繞的介質(zhì)。當一個微粒落在激光環(huán)上，就會使一個光模中的能量分散到另一個光模中，從而使兩個光模的共振頻率略有不同，使光模發(fā)生分裂，一束激光就分裂為頻率不同的兩束，將它們導(dǎo)入光電探測器，會由于頻率的不同而產(chǎn)生一種“打擊頻率”，從而分別測得兩束激光的頻率。

“由于微型傳感激光器是用溶膠的方法在硅晶片生產(chǎn)，增益介質(zhì)很容易改變，所以能大量生產(chǎn)。”論文第一作者、華盛頓大學(xué)圣路易斯分校電學(xué)與系統(tǒng)工程系研究生何麗娜（音譯）說，“人們可以選擇性地混合稀土離子，加入四乙氧基硅烷溶液、水或鹽酸，加熱它們直到變得黏稠，然后旋轉(zhuǎn)覆蓋在硅晶片上，退火后清除溶劑，就形成了完整的非結(jié)晶玻璃。再用蝕刻方法把薄薄的玻璃膜制成硅光盤，在下面用硅柱支撐。最后，通過激光退火處理，使粗糙的硅光盤變成光滑的環(huán)形共振腔。”

主動共振勝于被動

在早期的研究中，研究小組用普通的玻璃環(huán)作為波導(dǎo)，實驗?zāi)７至眩⑹谷肷涔猥@得增益。但這種環(huán)路是被動的，外部激光必須用昂貴的可調(diào)激光，才能涵蓋檢測模分裂所要求的頻率范圍。

新型共振傳感器本身就是一個微型激光器，而不僅僅是外部激光的共振腔。雖然也用玻璃制成，但摻雜了稀土原子作為“增益介質(zhì)”。當外部光源達到激發(fā)態(tài)時，共振環(huán)就開始以自身更純的頻率發(fā)射激光。

“用于感測的光是共振器本身從內(nèi)部產(chǎn)生，所以比被動式傳感器更加純凈。如果光不純，就無法看到微小的頻率變化。但主動傳感激光器只有一個頻率，是真正的窄線寬，所以它更加敏感。”領(lǐng)導(dǎo)該研究的該校電學(xué)與系統(tǒng)工程副教授楊蘭（音譯）說，“新型激光環(huán)的敏感性比原來被動傳感器要高出好幾個數(shù)量級，有效分辨率達到1納米。環(huán)路傳播的方式也讓整個系統(tǒng)更加簡單融洽。現(xiàn)在你只需一個光源來激發(fā)光介質(zhì)，因此能用上一種廉價的激光二極管，而不是昂貴的可調(diào)激光。”

探測多種微粒

小微粒在日常生活中扮演重要角色，而人們通常忽視了它們。病毒微粒讓我們生病，鹽微粒形成了云，煙灰微粒進入我們的肺，讓我們難以呼吸。為了探測各種小微粒，研究人員用不同大小和材質(zhì)的納米微粒測試了微激光器的性能，包括聚苯乙烯、病毒粒子和黃金微粒。

一顆微粒對于一束激光模的影響依賴于它的“極化性”，“極化性”是微粒大小和折射率的函數(shù)。當微粒一個個進入微激光的“模式圈”，探測器頻率上就會出現(xiàn)獨立的上下跳動，形成打擊頻率。每個獨立跳動信號都表示有一個微粒撞到了環(huán)上，跳動的次數(shù)就反映了微粒的數(shù)量。

激光傳感器是通過“共振場”把微粒捕獲到共振器上，一旦微粒落到激光環(huán)上就很難落下來。當微粒太多時，激光線寬就會變得模糊，最終導(dǎo)致無法探測到新分裂的頻率變化。“當線寬和分裂變化相當時，就不能再測了，如果需要你可以換一個來用。”楊蘭說。以金粒子為例，同一個激光器模能探測到816個金納米粒子。

微激光器能同時支持多個光模。用兩個光模重疊檢測能生成兩個打擊頻率，能預(yù)防探測中的“疏忽”，確保每個微粒都能產(chǎn)生可探測的打擊頻率。

改變微激光器的增益介質(zhì)，能感測不同介質(zhì)中的微粒，研究小組正在研究利用增強微激光的敏感性來解決多種問題。如感測空氣中微粒的用鉺元素（一種稀土元素）來摻雜，其光學(xué)屬性與空氣正好符合。感測水中微粒的用鐿元素來摻雜，水對鐿發(fā)出的激光波長吸收率很低。最終還將用于檢測血液中微粒的數(shù)量。

楊蘭表示，這種傳感激光器有望商業(yè)化，廣泛用于從生物到航空科學(xué)各個領(lǐng)域。近期內(nèi)可能用于監(jiān)控環(huán)境中粒子的動態(tài)行為、單純粒子濃度變化等。下一步將通過改進微激光器的光路和增益介質(zhì)，用來探測DNA和單個生物分子。