“極端光學創(chuàng)新研究團隊”在超高靈敏光學微腔傳感研究中取得新進展

時間：2016-03-07 09:34  作者：  來源：北大新聞網(wǎng)

　　超高靈敏傳感檢測技術(shù)在環(huán)境監(jiān)控、重大疾病早期預防和生化安全等方面具有十分重要的意義。然而，當待測顆粒物濃度極低且尺寸進入納米量級時，檢測變得極為 困難。日前，北京大學物理學院“極端光學創(chuàng)新研究團隊”肖云峰研究員和龔旗煌院士在利用超高品質(zhì)因子光學微腔增強傳感靈敏度的基礎上，開發(fā)出了一種基于耗 散型相互作用的無標記傳感技術(shù)，并成功實現(xiàn)了納米尺度單顆粒的實時檢測。這項最新研究成果近日在線發(fā)表在《物理評論：應用》【Physical Review Applied 5, 02401（2016）】上，并被同期評述為“朝著實用化光學傳感邁進了重要一步”（“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了光與待測物質(zhì)之間的相互作用，因而傳感靈敏度得到顯著提升，吸引了國際學術(shù)界越來越 多的關(guān)注。北京大學“極端光學創(chuàng)新研究團隊”已在光學微腔傳感方面取得了一系列高水平的原創(chuàng)成果。他們利用微腔增強的背向散射和微腔拉曼激光均實現(xiàn)了單個 納米顆粒的檢測【PNAS 111（41），14657（2014）；Advanced Materials 25（39），5616（2013）】，成果入選“2014年度中國高校十大科技進展”。

　　傳統(tǒng)的光學微腔傳感機制主要基于色散型相互作用，依賴于待測顆粒在腔模電場下的極化率實部。因此，當待測物的極化率實部趨于零時，色散型傳感機制失 效。為了解決這個問題，創(chuàng)新團隊成員創(chuàng)新地提出了基于耗散型相互作用的傳感機制，其主要依賴于待測顆粒的極化率虛部，具體表現(xiàn)為微腔模式的線寬變化。實驗 上，他們以單個金納米棒（40 nm × 16 nm）作為檢測對象來評估傳感器性能：當傳感器工作在等離激元共振時，金棒極化率實部趨于零，導致色散型傳感無法獲得有效信號；而耗散型傳感機制由于響應 其虛部，則以較高信噪比實現(xiàn)了單個納米顆粒的檢測，如下圖?；诤纳⑿拖嗷プ饔玫奈⑶粋鞲袡C制不但有利于檢測具有吸收性能的納米顆粒，而且可以進一步結(jié)合 色散型傳感，得到待測顆粒的更多信息，從而擴充了納米尺度單顆粒檢測的維度。

　　系列研究工作得到了科技部973計劃、國家自然科學基金委項目、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室及2011協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。