Miliard razy czulszy czujnik

Miliard razy czulszy czujnik

Naukowcy z Princeton wynaleźli wyjątkowo czuły czujnik o bardzo szerokich możliwościach, od wykrywania oznak raka począwszy, po identyfikowanie materiałów wybuchowych.

Czujnik ten, o niezrównanej jak dotąd czułości, wzmacnia słabe sygnały generowane przez wiązkę laserową rozproszoną przez badany materiał. Identyfikacja określonych substancji opiera się na długości fal odbijanego przez nie światła. Możliwe jest badanie próbek o wielkości pojedynczej cząsteczki.

Technika ta wykorzystuje odkryty w latach dwudziestych poprzedniego stulecia efekt Ramana. Hinduski fizyk, Chandrasekhara Raman odkrył, że światło odbite od obiektu niesie ze sobą informacje o jego strukturze i składzie cząsteczkowym.

„Sensoryka oparta na efekcie Ramana ma wprost ogromny potencjał zastosowań w przemyśle, biologii i chemii, medycynie czy militarnych.” – stwierdził Stephen Y. Chou z Princeton, kierujący zespołem naukowców. „Jednakże istniejące obecnie czujniki Ramana są tak słabe, że ich zastosowania poza nauka są bardzo ograniczone. Znaleźliśmy sposób, by znacząco wzmocnić sygnał.” – dodał.

W efekcie Ramana, wiązka monochromatycznego światła skupiona jest na celu, a odbite od niego światło zawiera dwa kolory dodatkowo. Długości fal tych kolorów są unikalne dla każdej substancji, co zapewnia potężną i niezawodną metodę identyfikacji tych substancji.

Powstały w Princeton czujnik Ramana wykorzystuje udoskonaloną wersję znanej od lat siedemdziesiątych techniki powierzchniowo wzmocnionego efektu Ramana (SARS). Zespół Chou zupełnie technikę SERS zmodyfikował wykorzystując do tego celu chip wysadzany rzędami miniaturowych słupków z metali oraz izolatorów.

Sekretem konstrukcji Chou jest unikalny układ tych rzędów. Składają się one z dwóch elementów: uformowanej przez metal wnęki na górze i na dole każdego słupka, oraz metalowych, znajdujących się na ściankach słupka, znanych jako plazmonowe nanokropki cząsteczek o średnicy około 20 nanometrów, które tworzą pomiędzy metalowymi elementami dwunanometrowe przestrzenie.

Te małe cząsteczki oraz przestrzenie pomiędzy nimi znacząco wzmacniają efekt Ramana. Natomiast wnęki pełnią funkcję anteny, która więzi światło lasera zwielokrotniając efekt rozpraszania. Wnęki wzmacniają również sygnał wyjściowy.

Nowy czujnik został nazwany ‘disk-coupled dots-on-pillar antenna-array’, czyli w skrócie D2PA. Jak dotąd, chip ten jest miliard razy czulszy niż inne, wykorzystujące tę samą technologię urządzenia.

Istotnym jest również fakt, iż czujnik ten może być niedrogo produkowany w dużych rozmiarach i ilościach. Możliwe jest to dzięki prostej budowie czujnika oraz połączeniu dwóch technik nanoprodukcji: litografii nanodrukowej oraz samoskładaniu się miniaturowych cząsteczek. Jak dotąd, zespół Chou zbudował sensor na płytce o wielkości około 10 centymetrów, ale możliwe jest znaczące zwiększenie rozmiarów.

(lk)