納米光纖陣列實現單個納米顆粒的檢測

高靈敏傳感檢測技術在環境監控、惡性腫瘤早期篩查和國家安全等應用方面具有重要的意義。當顆粒物尺寸進入納米量級時，實現高靈敏度的快速便捷檢測将變得困難。基于微納光子學的傳感技術具有超高靈敏度、無标記、實時快速和抗電磁幹擾等優勢，近年來引起了國際學術界的廣泛興趣。日前，beat365“介觀光學和飛秒光物理創新研究群體”肖雲峰研究員和龔旗煌教授等開發出了一種納米光纖陣列傳感器，能夠在液體環境中實現單個納米顆粒的快速檢測和尺寸精密測量。這一研究結果最近以封面文章（Front Cover）形式發表在最新一期的《先進材料》上【X.-C. Yu et al., “Single Nanoparticle Detection and Sizing Using a Nanofiber Pair in Aqueous Environment,” Advanced Materials 26, 7462-7467 (2014)】。該研究論文的共同第一作者為博士生俞骁翀和李貝貝，合作者包括浙江大學童利民教授。

傳統光纖傳感器具有結構簡單，易于制備、價格低廉和适合遠場操作等優勢，已經在高靈敏檢測領域得到了廣泛應用。近年來的研究表明：當光纖直徑減小至光波長量級時，光纖外部存在顯著的倏逝場，其對周圍環境微弱變化非常敏感。在這篇研究文章中，研究人員設計并實驗證明了一種全新的納米光纖陣列傳感器。他們實驗上制備了尺寸均勻的納米光纖對，并将其放置于聚合物材料的微流通道中。當微流通道中的納米顆粒被吸附在光纖表面時，顆粒在光纖倏逝場中的吸收和散射使得光纖傳輸功率發生顯著變化。通過監測光纖的傳輸功率，可以在液體環境中成功地實現了單個100 納米半徑的聚苯乙烯顆粒的檢測、混合尺寸納米顆粒的精确分辨與檢測、以及尺寸更小的單個金納米棒的檢測。

文章在線發表後，國際著名科技新聞網站Materials Views對該研究工作進行了題為“Nanofiber sensor can detect and size a single nanoparticle”的專題報道。這是創新群體成員在超高靈敏光學傳感研究上取得的又一個重要進展。近期的研究成果還包括：利用微腔拉曼激光在液體環境下成功的實現了單個20納米尺度顆粒的實時檢測【B.-B. Li et al., PNAS 111(41), 14657-14662 (2014)】；提出并實現微腔模式線寬作為新的傳感信号檢測單個納米顆粒【L. Shao et al., Advanced Materials 25(39), 5616-5620 (2013)】。

系列研究工作得到了科技部973計劃、國家自然科學基金委重點項目和創新群體項目、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室及量子物質科學協同創新中心的支持。