增強(qiáng)拉曼散射傳感器靈敏度提高10億倍
2011-03-26
美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)3月22日(北京時(shí)間)報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家研制出一種超靈敏傳感器，可使用其增強(qiáng)的拉曼散射來探測(cè)包括癌癥信號(hào)、炸藥等物質(zhì)，其靈敏度比普通拉曼散射傳感器增強(qiáng)了10億倍。
拉曼散射是指光通過介質(zhì)時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用而引起光的頻率變化，1928年由印度物理學(xué)家錢德拉塞卡拉·拉曼發(fā)現(xiàn)。在拉曼散射中，一束單色光照射到一個(gè)物體后，其反射光會(huì)包含另外兩種頻率的光，這兩種光的頻率僅與該物體的分子組成相關(guān)，這就潛在地提供了一種有效識(shí)別物質(zhì)的方法。但由于這種額外的光太微弱，科學(xué)家?guī)资陙砗茈y將拉曼散射付諸于實(shí)踐。
上世紀(jì)70年代，科學(xué)家研制出表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)技術(shù)，可以通過將所鑒別物質(zhì)放在粗糙的金屬表面或金、銀小粒子之上來增強(qiáng)拉曼信號(hào)。但科學(xué)家隨后發(fā)現(xiàn)，這種增強(qiáng)的拉曼信號(hào)僅出現(xiàn)在傳感器表面的幾個(gè)隨機(jī)點(diǎn)上，很難預(yù)測(cè)其具體位置，仍然非常微弱。
而普林斯頓大學(xué)電子工程系教授斯蒂芬·周領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)摒棄了以往設(shè)計(jì)和制造拉曼傳感器的方法，研發(fā)出一種全新的SERS結(jié)構(gòu)：一塊芯片上布滿一行行由金屬和半導(dǎo)體組成的小柱子。
新傳感器獲勝的“秘密武器”就是這些小柱子的排列方式：每個(gè)柱子上部和底部各有一個(gè)由金屬制成的中空部分;柱壁上布滿直徑約為20納米的金屬粒子(等離子體納米點(diǎn))，金屬粒子之間有2納米左右的空隙。金屬粒子和空隙能顯著增強(qiáng)拉曼信號(hào);中空部分能捕捉光信號(hào)，讓光多次而不是僅一次地通過等離子體納米點(diǎn)，從而也能增強(qiáng)拉曼信號(hào)。迄今為止，該芯片的靈敏度比不經(jīng)過拉曼增強(qiáng)而研制出的傳感器高10億倍，而且其靈敏度非常穩(wěn)定，能可靠地應(yīng)用于感應(yīng)設(shè)備中。
除靈敏度大增之外，借助納米壓印技術(shù)和納米粒子自組裝技術(shù)，新芯片能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、規(guī)?；圃?，研究人員已經(jīng)在4英尺的晶片上制造出這些傳感器。
美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家也在進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，希望軍隊(duì)也能使用該技術(shù)探測(cè)化學(xué)物質(zhì)、生物試劑和炸藥。
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