华人女学者PNAS：检测微小纳米粒子的新传感器

　　

生物通报道：纳米粒子是一种工程材料，大小约为十亿分之一米，每天都存在于我们的周围。虽然它们很小，但是它们有益于人类健康，如被用在一些创新性早期癌症治疗当中，但是病毒、空气污染、交通排放、化妆品、防晒霜和电子产品也会干扰这种治疗中的纳米粒子。

近日，由华盛顿大学电气和系统工程副教授杨兰（Lan Yang）博士带领的研究小组，与清华大学的合作者，共同开发出一种新型传感器，可以同时检测和计量小至10纳米的纳米粒子。研究人员称，该传感器可以检测更小的颗粒、病毒和小分子。相关研究结果发表在2014年9月1日的《PNAS》杂志。

杨兰博士早年毕业于中国科技大学“少年班“，于1999年在中国科技大学获硕士学位，随后赴美国加州理工学院深造，2005年获得博士学位，2007年在美国圣路易斯华盛顿大学任教，创建了华盛顿大学工程学院微纳米光电子学实验室。2009年杨兰教授的科学论文《单个纳米粒子的检测和尺寸测量》刊登在《自然》杂志上，2010年她荣获了“美国国家科学基金会”颁发的“青年科学家奖”。

杨博士及其同事们在一个二氧化硅晶片上制备了拉曼（Raman）微型激光器传感器，以发现单个纳米粒子，而无需用称为稀土离子的化学品“覆盖”硅晶片，为微型激光器提供光增益。将附加物合并到微共振腔，就需要更多的处理步骤、成本和生物相容性风险增加。此外，利用稀土离子需要与离子能量转换相匹配的特定“泵”激光器，来产生光学增益，所以必须使用不同的稀土离子、不同的泵激光器。杨博士说，使用拉曼过程，可放松泵激光器对特定波段的要求，因为利用任何波段的泵都可以获得拉曼增益。

该课题组的研究科学家、本文第一作者Sahin Kaya Ozdemir博士指出：“这给了我们一种优势，可通过定制特定环境的激光频率，在不同传感环境使用相同的无掺杂剂传感器，例如，在环境具有最小吸收的波段，以及通过仅仅改变泵激光器的波段靶定纳米粒子的性能。”

杨博士的研究小组利用他们倡导的模态分离技术将拉曼激光整合到一个硅微腔中，来开发一种更容易检测到纳米粒子的新型强大传感器。该技术将有利于电子、声学、生物医学、等离子体、安全和超材料领域。

杨博士的微传感器是一类称为回音壁模式谐振腔（WGMRs），因为它的工作方式类似于圣保罗大教堂里著名的回音壁，在那里一个人在圆顶的一端可以听到另一端的人所说的话。杨博士的装置利用光而不是声音，做到了同样的事情。

早期谐振腔和新型谐振腔（称为形态依赖谐振腔）之间的主要差异是，它们没有使用镜子来反射光。杨博士的WGMR实际上是一种小型激光，支持“频率退化模式”。拉曼激光器的一部分光逆时针旋转，另一部分是顺时针方向。当一个粒子落在环上，并在这些模式之间分散能量时，单个拉曼激光线会分裂成两条不同频率的激光线。

当一条拉曼激光束在谐振腔中产生时，它可能会遇到圆环上的一个粒子，如病毒颗粒。当光线最初看到粒子时，会分成两束，产生两条激光线，作为另一束的参照，形成一种自我参照的传感技术。

Ozdemir说：“我们的新传感器不同于早期的回音壁传感器，它依赖于拉曼增益，这是二氧化硅固有的，从而消除了用增益介质覆盖微腔的需要，例如稀土离子或光染料，因此提高了检测能力。这种新型传感器保留了二氧化硅的生物相容性，能够发现传感在生物介质中的广泛应用。”

杨博士说：“用的是什么样的波长，无关紧要，一旦你有拉曼激光循环在内部，并有一个分支停留在环上，当光束看到粒子时，它将分散到各个方向。最初你有逆时针模式，然后顺时针模式，通过分析两种分离模式的特性，我们可以确认检测到了纳米粒子。”

该研究小组称，他们的研究工作除了演示用于粒子检测的拉曼微型激光器之外，还指出了利用固有增益机制的可能性，例如拉曼和参数增益，而不是光染料、稀土离子或量子点。

（生物通：王英）

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Highly sensitive detection of nanoparticles with a self-referenced and self-heterodyned whispering-gallery Raman microlaser. Ozdemir S, Zhu J, Yan X, Peng B, Yilmaz H, He L, Monifi F, Huang S, Long G, Yang L. Proceedings of the National Academy of Sciences (Sept. 1, 2014)