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只需一滴,微型传感器就能检测溶液化学成分  

2014-07-07 17:03:35|  分类: 每日科学新闻 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》http://www.huanqiukexue.com/html/newcy/newxxjs/2014/0707/24576.html

维也纳技术大学的研究人员利用微型激光技术,研发出可以检测液体化学成分的微型传感器。

  


只用一滴液体就可以检测出其化学成分。(图片来源:维也纳技术大学)
 
 
虽然红外光不可见,但不同的分子对红外波段激光的吸收效应不同, 这正好适用于对液体和气体的检测。这一特性可以用于检测例如血氧浓度等。维也纳技术大学的研究人员利用这种技术研发出了新的微型传感器。
 
特制的量子级联激光器(quantum cascadelasers,QCLs)和匹配的光探测器是同步制造出来的。激光器和探测器只间隔了50微米,二者通过由金和氮化硅构成的等离子体波导来连通。这种新方法使得未来研制更多功能的微型传感器变得简单而廉价。
 
该传感器芯片由激光器、表面等离子体波导(SPP waveguide)和探测器组成,并集成在同一片衬底上。上面的插图显示了芯片截面的结构,左下角为扫描电子显微镜(SEM)拍摄的芯片封装的图像。(图片来源:参考文献插图)
 
普通固体激光器和探测器,如常见的红宝石激光器,只包含单一的能级结构。而量子级联激光器是基于量子阱多级串联的辐射机制。因而,它具有得天独厚的特性,例如可以改变激光的波长。当对辐射能级施加一定电压,激光器发生受激辐射。与此同时,量子级联激光器的辐射结构还能实现反向的过程,即光辐射同样可以产生电信号。
 
目前,研究人员已经掌握同时制造激光器和探测器的方法,能够使二者耦合在同一片芯片上,如此一来,激光的波长便能与探测器感应的波段完美匹配。这种双功能的设备是由维也纳技术大学微纳结构中心(center for micro- and nanostructures)的工作人员基于原子层级开发出来的。“因为每一部分都是同步制造出来的,所以激光器和探测器不再需要调试,二者发送和接收的光谱已经完全一致。”Benedikt Schwarz说。
 
波导:将光导入探测器
 
 


该传感器芯片由激光器、表面等离子体波导(SPP waveguide)和探测器组成,并集成在同一片衬底上。上面的插图显示了芯片截面的结构,左下角为扫描电子显微镜(SEM)拍摄的芯片封装的图像。(图片来源:Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms5085)
 
在传统光学系统中,激光需要经过精密的透镜光路进入探测器,或利用光纤传导,但这样往往将激光中全部波段的光都传输了过去,而无法根据系统所需进行滤波,这样注入的激光无法直接用于探测。
 
维也纳技术大学在量子级联激光器和探测器之间的光学传导上使用了完全不同的方法。他们利用了由金和氮化硅构成的等离子体波导。“激光同金属中的电子以一种独特的方式相互作用,最终光被导出金层。”Benedikt Schwarz说,“这就是为什么光会在激光器和探测器之间的传导过程中被分子吸收。”
 
该传感器芯片可以浸没于液体中。通过测量由于被分子吸收造成的探测光光强的衰减,就可以检测出液体的化学成分。研究人员用兑了水的酒精对传感器进行了测试,结果显示,这种新型传感器的水浓度测量精度可达0.06%。
 
由此我们知道,通过改变能级结构可以影响激光波长,这一技术理念可以适用于多种多样的分子结构,例如碳水化学物或蛋白质,并且在化学、生物和医学分析领域具有广阔的应用前景。(作者:维也纳技术大学  翻译:檀泽浩  审稿:王忻怡)
 
原文链接:http://www.sciencedaily.com/releases/2014/06/140611102157.htm
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