增強拉曼散射傳感器靈敏度提高10億倍
2011-03-26
美國物理學家組織網3月22日(北京時間)報道，美國科學家研制出一種超靈敏傳感器，可使用其增強的拉曼散射來探測包括癌癥信號、炸藥等物質，其靈敏度比普通拉曼散射傳感器增強了10億倍。
拉曼散射是指光通過介質時由于入射光與分子運動相互作用而引起光的頻率變化，1928年由印度物理學家錢德拉塞卡拉·拉曼發現。在拉曼散射中，一束單色光照射到一個物體后，其反射光會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，這就潛在地提供了一種有效識別物質的方法。但由于這種額外的光太微弱，科學家幾十年來很難將拉曼散射付諸于實踐。
上世紀70年代，科學家研制出表面增強拉曼散射(SERS)技術，可以通過將所鑒別物質放在粗糙的金屬表面或金、銀小粒子之上來增強拉曼信號。但科學家隨后發現，這種增強的拉曼信號僅出現在傳感器表面的幾個隨機點上，很難預測其具體位置，仍然非常微弱。
而普林斯頓大學電子工程系教授斯蒂芬·周領導的團隊摒棄了以往設計和制造拉曼傳感器的方法，研發出一種全新的SERS結構：一塊芯片上布滿一行行由金屬和半導體組成的小柱子。
新傳感器獲勝的“秘密武器”就是這些小柱子的排列方式：每個柱子上部和底部各有一個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)，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拉曼信號;中空部分能捕捉光信號，讓光多次而不是僅一次地通過等離子體納米點，從而也能增強拉曼信號。迄今為止，該芯片的靈敏度比不經過拉曼增強而研制出的傳感器高10億倍，而且其靈敏度非常穩定，能可靠地應用于感應設備中。
除靈敏度大增之外，借助納米壓印技術和納米粒子自組裝技術，新芯片能實現高質量、規模化制造，研究人員已經在4英尺的晶片上制造出這些傳感器。
美國海軍研究實驗室的科學家也在進行相關實驗，希望軍隊也能使用該技術探測化學物質、生物試劑和炸藥。
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