新型納米激光探測技術靈敏度高成本低

　　記者從北京大學獲悉，該校馬仁敏研究員和戴倫教授合作，實現了一種新型激光增強表面等離激元探測技術。

　　這種新型探測技術的強度探測品質因子比傳統的表面等離激元（SPR）探測器高400倍左右。同時成本低，尺寸僅為微米量級，在一根頭發絲的端面上即可制備數以千計的探測器。

　　“該探測器所具有的極高靈敏度、低成本和小體積的特點可能會使其在疾病的早期診斷、公共場所的安全監測和環境食品衛生等領域發揮重要的作用。”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，將電磁場的能量限制在很小的尺度內，其振蕩頻率對周圍環境非常敏感。通過探測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器是一種實時和不需要熒光標記的新型探測器。近20年以來，其在疾病診斷、生物化學研究與應用和環境監控等領域取得了非常大的成功。

　　馬仁敏說，用于產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的等離激元探測器中不可避免，從基本物理原理上來講，是進一步提高探測器靈敏度的障礙。馬仁敏研究小組將激光原理引入到了表面等離激元探測器中，利用激光中的受激輻射光放大補償了歐姆損耗，在前期氣相超靈敏爆炸物檢測的基礎上(Nature Nanotechnology, 2014)，實現了液相激光增強表面等離激元（LESPR）探測器。

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

　　在實驗中應用了戴倫教授合成的發光波長在700納米左右的硒化鎘納米晶體作為增益材料，其發光波長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。相比于通常應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，但其化學性質遠比銀穩定，適合應用于生物和其他復雜環境的應用。”戴倫教授說。

　  在實驗中，除了預期的激光效應補償歐姆損耗使得等離激元共振的諧振線寬顯著變窄意外，他們還發現激光增強表面等離激元探測器具有傳統表面等離激元探測器所不具有的高斯光譜線型和無背景輻射的優點。

　　“這些特點使激光增強表面等離激元探測器具有高達84000的強度探測品質因子，比傳統的表面等離激元探測器的強度探測的品質因子高400倍左右。”馬仁敏說，“同時，因為使用了微腔效應，整個激光增強表面等離激元探測器的尺寸僅為微米量級，在一根頭發絲的端面上即可制備數以千計的探測器，具有低成本、小型化、規模化集成的優點。”

　　該工作目前已被領域內的知名期刊Nanophotonics接收發表，北京大學博士后王興遠，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。同時他們也為該探測器申請了發明專利。（劉霞）