高Q值等离激元晶体激光器的超灵敏生物分子探测

本文由论文第一作者供稿

研究背景

表面等离激元是在金属表面由自由电子和入射电磁波共振形成的一种表面电磁模式。它可以细分为两种类型：表面等离极化激元（SPPs）和局域表面等离激元（LSPs）。SPPs是金属表面的等离激元与入射电磁场耦合的结果，是一种在金属-电介质界面上传播的电磁波；LSPs是电子在特定的波长处与入射电磁场产生的共振，具有局域化的特点。表面等离激元能够在纳米尺度形成显著的场增强效应，使器件能够灵敏地感知结构附近微小的环境扰动。因此，最近基于表面等离激元技术的传感器被广泛研究和探索，特别在生物医学领域，等离激元传感器凭借其能够对蛋白质、核酸、细菌以及病毒等物质具有实时免标记量化分析能力而吸引了科研工作者的极大关注。

传统表面等离激元传感器大部分属于耗散体系，因其金属结构具有很大内在损耗，进而大大弱化了表面等离激元共振。实验上光谱线宽通常在数十甚至上百纳米，制约了灵敏度和品质因子的进一步提高。引入增益材料并与谐振腔结合，能够达到补偿损耗的效果，激射后的光谱线宽至少可以减小两个量级[1]，可以显著提高传感器的灵敏度和品质因子。因此，表面等离激元激光在传感应用方面具有独特优势。

工作介绍

本工作提出了一种高Q值表面等离激元纳米激光器的结构设计，并理论研究了其在超灵敏生物分子探测中的应用。作者首先在SiO2-Au-SiO2三明治结构平板上设计了多孔阵列结构，该对称结构能够同时支持648nm处的反对称模式和778nm处的对称模式。通过引入罗丹明640有机增益，且使得增益和反对称模式共振，作者成功获得激光激射行为。激射后的最小光谱线宽只有0.24nm。通过改变环境折射率来模拟环境的改变，进而探究了纳米激光器在生物分子探测方面的应用。结果表明，传感器的体灵敏度（bulk sensitivity，Sbulk）为240nm/RIU，体品质因子（bulk figure of merit，FOMbulk）达到1000RIU-1。另外，作者还研究了该结构的表面灵敏度（surface sensitivity，SS）和表面传感品质因子（surface figure of merit，FOMS），它们分别是30nm/RIU和125 RIU-1，可见其性能远远超过同等条件下LSPR和SPR传感器[2][3]。因此，该类基于有源结构的传感器为生物分子探测提供了一种创新型思路。

参考文献

[1] R.-M. Ma and R. F. Oulton, Applications of nanolasers. Nature Nanotech 14, 12–22 (2019).

[2] B. pakov, M. L. Ermini, and J. Homola, High-performancebiosensor exploiting a light guidance in sparse arrays of metal nanoparticles. Opt. Lett. 44, 1568–1571 (2019).

[3] B. pakov and J. Homola, Sensing properties of latticeresonances of 2D metal nanoparticle arrays: An analytical model. Opt. Exp. 21,27490 (2013).

原文链接

https://ieeexplore.ieee.org/document/9321552

作者链接

https://www.researchgate.net/profile/Jiacheng-Sun-3

https://www.researchgate.net/profile/Tao-Wang-350

https://www.researchgate.net/profile/Israel-De-Leon-2

本文转自：https://mp.weixin.qq.com/s/N5VKwdbb9NFTo2xivaga_A

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