美国研制出超灵敏传感器 探测灵敏度增强10亿倍

2011-3-23 16:33 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网3月22日(北京时间)报道,美国科学家研制出一种超灵敏传感器,可使用其增强的拉曼散射来探测包括癌症信号、炸药等物质,其灵敏度比普通拉曼散射传感器增强了10亿倍。

  拉曼散射是指光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起光的频率变化,1928年由印度物理学家钱德拉塞卡拉·拉曼发现。在拉曼散射中,一束单色光照射到一个物体后,其反射光会包含另外两种频率的光,这两种光的频率仅与该物体的分子组成相关,这就潜在地提供了一种有效识别物质的方法。但由于这种额外的光太微弱,科学家几十年来很难将拉曼散射付诸于实践。

  上世纪70年代,科学家研制出表面增强拉曼散射(SERS)技术,可以通过将所鉴别物质放在粗糙的金属表面或金、银小粒子之上来增强拉曼信号。但科学家随后发现,这种增强的拉曼信号仅出现在传感器表面的几个随机点上,很难预测其具体位置,仍然非常微弱。

  而普林斯顿大学电子工程系教授斯蒂芬·周领导的团队摒弃了以往设计和制造拉曼传感器的方法,研发出一种全新的SERS结构:一块芯片上布满一行行由金属和半导体组成的小柱子。

  新传感器获胜的“秘密武器”就是这些小柱子的排列方式:每个柱子上部和底部各有一个由金属制成的中空部分;柱壁上布满直径约为20纳米的金属粒子(等离子体纳米点),金属粒子之间有2纳米左右的空隙。金属粒子和空隙能显著增强拉曼信号;中空部分能捕捉光信号,让光多次而不是仅一次地通过等离子体纳米点,从而也能增强拉曼信号。迄今为止,该芯片的灵敏度比不经过拉曼增强而研制出的传感器高10亿倍,而且其灵敏度非常稳定,能可靠地应用于感应设备中。

  除灵敏度大增之外,借助纳米压印技术和纳米粒子自组装技术,新芯片能实现高质量、规模化制造,研究人员已经在4英尺的晶片上制造出这些传感器。

  美国海军研究实验室的科学家也在进行相关实验,希望军队也能使用该技术探测化学物质、生物试剂和炸药。