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- 微型傳感器在芯片上檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)的應(yīng)用
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2016/8/29
當(dāng)激光轟擊分子時(shí)，根據(jù)分子的結(jié)構(gòu)和組成不同，分子會(huì)以各種波長(zhǎng)的光子將激光的能量反射回來，這種現(xiàn)象稱為“拉曼散射”。據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了使這種現(xiàn)象能發(fā)生在芯片上，康奈爾大學(xué)的科研人員向一根波導(dǎo)管發(fā)射激光（該波導(dǎo)管是一根由二氧化鈦制成的透明材料），激光會(huì)在波導(dǎo)管的內(nèi)表面來回反射，從而被限制在波導(dǎo)管內(nèi)。因?yàn)椴▽?dǎo)管的高度僅為幾個(gè)納米（幾十億分之一米），當(dāng)激光從波導(dǎo)管中射出后，會(huì)在芯片表面產(chǎn)生所謂的“漸逝場(chǎng)（evanescent field）”。
泵浦激光器（pumping laser）能在芯片上方產(chǎn)生拉曼散射，或?qū)Ψ胖迷谛酒砻娴囊旱芜M(jìn)行分析，同時(shí)仍將光波限制在芯片上方。被激發(fā)態(tài)分子反射回來的光也將沿著波導(dǎo)管傳播，位于波導(dǎo)管末端的光柵可將反射光衍射為光譜，這些由不同分子產(chǎn)生的特定光譜，就像分子的“指紋”一樣，可以用來鑒定分子的結(jié)構(gòu)和組成。
激光在納米尺寸的波導(dǎo)管中傳播，射出波導(dǎo)管后，可在芯片表面上方與被測(cè)分子產(chǎn)生相互作用�？的螤柎髮W(xué)材料科學(xué)與工程助理教授Jin Suntivich說：“在實(shí)驗(yàn)室你想要使用一個(gè)化學(xué)傳感器很容易，但如果你在外面，想要一款能夠隨身攜帶的化學(xué)傳感器是很有挑戰(zhàn)的。我們想研發(fā)一種技術(shù)，能使化學(xué)傳感器小到足以適用于手機(jī)等電子產(chǎn)品，這樣你隨身攜帶的電子產(chǎn)品就可以持續(xù)地監(jiān)視你周圍的世界，當(dāng)你看到一些不尋常的東西時(shí)，傳感器會(huì)告訴你那是什么物質(zhì)�！�
以前使用氮化硅波導(dǎo)管制作過基于拉曼散射的傳感器。但是，康奈爾大學(xué)的科研人員提出采用二氧化鈦新材料來設(shè)計(jì)制作波導(dǎo)管，使傳感器更加靈敏，并且尺寸足夠小到可以適用于手機(jī)�？的螤柎髮W(xué)原子及固體物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室和納米科學(xué)Kavli研究所博士后研究員Christopher Evans說：“我們不是第一個(gè)利用拉曼散射原理制作化學(xué)傳感器的，但我們開發(fā)的化學(xué)傳感器是最好的�！� Evans是該研究成果的第一作者，其論文發(fā)表于7月14日出版的網(wǎng)絡(luò)版《美國化學(xué)學(xué)會(huì)ACS光子學(xué)》雜志上，論文題名為：《有效整合瞬逝拉曼光譜的二氧化鈦納米光子傳感器》，共著者包括Suntivich和Chengyu Liu，Chengyu Liu是康奈爾大學(xué)應(yīng)用及工程物理學(xué)院的博士研究生。
一個(gè)與直線波導(dǎo)管相切的環(huán)形波導(dǎo)管，可以使激光在環(huán)形波導(dǎo)管中不斷的循環(huán)，從而使激光與芯片上方的被測(cè)物質(zhì)的相互作用時(shí)間更長(zhǎng)。這個(gè)環(huán)型波導(dǎo)管的直徑大概和人類頭發(fā)絲的直徑差不多。二氧化鈦具有更高的折射率，可以使芯片上方的激光照射強(qiáng)度更高，創(chuàng)造出更強(qiáng)的漸逝場(chǎng)。該材料對(duì)于可見光波長(zhǎng)是透明的，使科研人員能夠采用波長(zhǎng)更短的可見光激光，這樣能夠產(chǎn)生更好的散射效果。
科研人員采用綠色激光筆作為測(cè)試光源進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)于未來的設(shè)備，一款微型激光單元可以嵌入芯片中，再利用一個(gè)組件將反射回來的光傳播到一款光敏器件上，讀取光譜信息。一種可能性是采用手機(jī)攝像頭來讀取光譜。泵浦激光與芯片上方材料的相互作用，隨激光波長(zhǎng)的增加而增加。
Evans說：“我們已證明我們能夠?qū)?a href="http://m.fineinshow.com/" target="_blank" title="">傳感器尺寸降低到人類頭發(fā)絲粗細(xì)的同時(shí)，將傳感器的峰值信號(hào)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)（甚至更高）�！� 該化學(xué)傳感器的潛在應(yīng)用包括監(jiān)測(cè)空氣和水質(zhì)的便攜式傳感器，或?qū)嶒?yàn)室的實(shí)地化學(xué)物質(zhì)檢測(cè)等�；瘜W(xué)家可以利用該傳感器同步觀察進(jìn)行中的化學(xué)反應(yīng)。
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