纳米光纤阵列实现单个纳米颗粒的检测

高灵敏传感检测技术在环境监控、恶性肿瘤早期筛查和国家安全等应用方面具有重要的意义。当颗粒物尺寸进入纳米量级时，实现高灵敏度的快速便捷检测将变得困难。基于微纳光子学的传感技术具有超高灵敏度、无标记、实时快速和抗电磁干扰等优势，近年来引起了国际学术界的广泛兴趣。日前，北京大学“介观光学和飞秒光物理创新研究群体”肖云峰研究员和龚旗煌教授等开发出了一种纳米光纤阵列传感器，能够在液体环境中实现单个纳米颗粒的快速检测和尺寸精密测量。这一研究结果最近以封面文章（Front Cover）形式发表在最新一期的《先进材料》上【X.-C. Yu et al., “Single Nanoparticle Detection and Sizing Using a Nanofiber Pair in Aqueous Environment,” Advanced Materials 26, 7462-7467 (2014)】。该研究论文的共同第一作者为博士生俞骁翀和李贝贝，合作者包括浙江大学童利民教授。

传统光纤传感器具有结构简单，易于制备、价格低廉和适合远场操作等优势，已经在高灵敏检测领域得到了广泛应用。近年来的研究表明：当光纤直径减小至光波长量级时，光纤外部存在显著的倏逝场，其对周围环境微弱变化非常敏感。在这篇研究文章中，研究人员设计并实验证明了一种全新的纳米光纤阵列传感器。他们实验上制备了尺寸均匀的纳米光纤对，并将其放置于聚合物材料的微流通道中。当微流通道中的纳米颗粒被吸附在光纤表面时，颗粒在光纤倏逝场中的吸收和散射使得光纤传输功率发生显著变化。通过监测光纤的传输功率，可以在液体环境中成功地实现了单个100 纳米半径的聚苯乙烯颗粒的检测、混合尺寸纳米颗粒的精确分辨与检测、以及尺寸更小的单个金纳米棒的检测。

文章在线发表后，国际著名科技新闻网站Materials Views对该研究工作进行了题为“Nanofiber sensor can detect and size a single nanoparticle”的专题报道。这是创新群体成员在超高灵敏光学传感研究上取得的又一个重要进展。近期的研究成果还包括：利用微腔拉曼激光在液体环境下成功的实现了单个20纳米尺度颗粒的实时检测【B.-B. Li et al., PNAS 111(41), 14657-14662 (2014)】；提出并实现微腔模式线宽作为新的传感信号检测单个纳米颗粒【L. Shao et al., Advanced Materials 25(39), 5616-5620 (2013)】。

系列研究工作得到了科技部973计划、国家自然科学基金委重点项目和创新群体项目、人工微结构和介观物理国家重点实验室及量子物质科学协同创新中心的支持。