Ученые создали недорогой и экологичный метод детектирования наночастиц

0zk9o4v9Yis1

Производство сенсора типа «шепчущей галереи» упростили за счет применения рамановского рассеяния.

На фото: Массив тороидальных кремниевых резонаторов в художественном представлении. Изображение: J. Zhu, B. Peng, S.K. Ozdemir, L. Yang

Коллектив ученых из Китая и США создал новый сенсор типа «шепчущей галереи» (WGMR), чувствительности которого достаточно для того, чтобы «видеть» отдельные наночастицы. Сенсор сделан из кремния и не требует использования редкоземельных элементов в своем составе. Работа опубликована в Proceedings of the National Academy of Sciences, вкратце с ней можно ознакомиться на сайте Университета Вашингтона в Сент-Луисе.

Принцип работы нового прибора заключается в использовании рамановского усиления в кремниевом торе при облучении его лазером. Ученым удалось добиться чувствительности на уровне индивидуальных наночастиц, хотя и без их химической идентификации. Прибор представляет собой массив тороидальных микросенсоров с большим диаметром 40 микрон и малым диаметром 8 микрон. Этот массив может быть размещен в приборах разного формата, система может подключаться при помощи отповолокона практически к любой оптической схеме уже существующих установок.

Сенсоры типа «шепчущей галереи» названы так в честь галерей под куполом знаменитого собора святого Павла в Лондоне. Особая архитектура свода позволяет услышать шепот собеседника, находящегося на противоположной стороне купола. Это происходит благодаря наложению и взаимному усилению акустических волн.

Аналогичного эффекта можно добиться и для оптического излучения, но в этом случае требуется уже не купол, а тор. При облучении лазером, в нем возникает излучение, направленное по и против часовой стрелки. При наложении волн возникает излучение одной определенной частоты, которое можно детектировать.

В случае, когда в такую систему попадает наночастица, она изменяет характер распространения излучения в торе. Это вызывает резкое скачкообразное изменение в частоте испускаемого сенсором света. Появление этого отклика прямо означает присутствие наночастицы.

Детекторы такого типа широко известны, однако для повышения их чувствительности до уровня одиночных наночастиц необходимо или допировать их редкоземельными элементами, или уменьшать размер сенсора, используя, к примеру, явление плазмонного резонанса. В первом случае ухудшается биосовместимость и снижается степень их универсальности по отношению к типам детектируемых частиц. Во втором случае сильно затрудняется процесс изготовления.

Авторам работы удалось обойти и те и те ограничения, использовав явление рамановского усиления, естественным образом возникающего в кремнии и дополнительно усиленного эффектом «шепчущей галереи». Ученые показали, что их система работает и в случае, когда усиления не хватает для возникновения эффекта рамановского лазера, так и в обратной ситуации, когда возникает вторичный лазерный луч, по разнице частот которого по сравнению с частотой падающего излучения можно судить о присутствии наночастицы.

Детекторы наночастиц имеют широкую сферу применения как в биологических областях, так и в прикладной технической сфере. И в том и в другом случае большую роль играет простота производства, легкость внедрения в уже существующие системы, а также в случае биологии огромную роль играет чистота и биосовместимость.