Wetenschap
Optische barcodes breiden het bereik van sensoren met hoge resolutie uit
Dezelfde geometrische gril waarmee bezoekers berichten kunnen mompelen rond de ronde koepel van de fluistergalerij van de St. Paul's Cathedral in Londen of over de fluisterboog van St. Louis Union Station maakt ook de constructie van optische sensoren met hoge resolutie mogelijk. Whispering-gallery-mode (WGM)-resonatoren worden al tientallen jaren gebruikt om chemische kenmerken, DNA-strengen en zelfs afzonderlijke moleculen te detecteren.
Op dezelfde manier waarop de architectuur van een fluistergalerij geluidsgolven buigt en focust, beperken en concentreren WGM-microresonatoren het licht in een klein cirkelvormig pad. Hierdoor kunnen WGM-resonatoren fysieke en biochemische kenmerken detecteren en kwantificeren, waardoor ze ideaal zijn voor detectietoepassingen met hoge resolutie op gebieden als biomedische diagnostiek en milieumonitoring.
Het brede gebruik van WGM-resonatoren is echter beperkt door hun smalle dynamische bereik en hun beperkte resolutie en nauwkeurigheid.
In een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , Lan Yang, de Edwin H. &Florence G. Skinner Professor, en Jie Liao, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker, beide bij de Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis demonstreren een transformatieve aanpak om deze beperkingen te overwinnen:optische WGM-barcodes voor multimode-detectie.
De innovatieve techniek van Liao en Yang maakt gelijktijdige monitoring van meerdere resonante modi binnen één enkele WGM-resonator mogelijk, waarbij onderscheidende reacties van elke modus in aanmerking worden genomen, waardoor het bereik aan haalbare metingen enorm wordt uitgebreid.
WGM-detectie maakt gebruik van een specifieke golflengte van licht die miljoenen keren rond de omtrek van de microresonator kan circuleren. Wanneer de sensor een molecuul tegenkomt, verschuift de resonantiefrequentie van het circulerende licht. Onderzoekers kunnen die verschuiving vervolgens meten om de aanwezigheid van specifieke moleculen te detecteren en identificeren.
"Multimode-detectie stelt ons in staat meerdere resonantieveranderingen in golflengte op te vangen, in plaats van slechts één", legt Liao uit. "Met meerdere modi kunnen we optische WGM-detectie uitbreiden naar een groter golflengtebereik, een grotere resolutie en nauwkeurigheid bereiken en uiteindelijk meer deeltjes waarnemen."
Liao en Yang vonden de theoretische limiet van WGM-detectie en gebruikten deze om de detectiemogelijkheden van een multimode-systeem te schatten. Ze vergeleken conventionele single-mode met multimode-detectie en stelden vast dat, hoewel single-mode-detectie beperkt is tot een zeer smal bereik (ongeveer 20 picometer (pm), beperkt door de laserhardware), het bereik voor multimode-detectie potentieel onbeperkt is met dezelfde opstelling.
"Meer resonantie betekent meer informatie", zei Liao. "We hebben een theoretisch oneindig bereik afgeleid, hoewel we praktisch worden beperkt door het detectieapparaat. In dit onderzoek was de experimentele limiet die we vonden ongeveer 350 keer groter met de nieuwe methode dan de conventionele methode voor WGM-detectie."
Commerciële toepassingen van multimode WGM-detectie kunnen biomedische, chemische en ecologische toepassingen omvatten, zei Yang. In biomedische toepassingen kunnen onderzoekers bijvoorbeeld subtiele veranderingen in moleculaire interacties detecteren met een ongekende gevoeligheid om de diagnose van ziekten en de ontdekking van geneesmiddelen te verbeteren.
Bij milieumonitoring, met de mogelijkheid om minieme veranderingen in omgevingsparameters zoals temperatuur en druk te detecteren, zou multimode-detectie systemen voor vroegtijdige waarschuwing voor natuurrampen mogelijk kunnen maken of het monitoren van vervuilingsniveaus in lucht en water kunnen vergemakkelijken.
Deze nieuwe technologie maakt ook continue monitoring van chemische reacties mogelijk, zoals aangetoond in de recente experimenten uitgevoerd door Yang's groep. Deze mogelijkheid is veelbelovend voor realtime analyse en controle van chemische processen, en biedt potentiële toepassingen op gebieden als de farmaceutische industrie, materiaalkunde en de voedingsindustrie.
"De ultrahoge gevoeligheid van WGM-resonatoren stelt ons in staat afzonderlijke deeltjes en ionen te detecteren, maar het potentieel van deze krachtige technologie is nog niet volledig benut omdat we deze ultragevoelige sensor niet rechtstreeks kunnen gebruiken om een volledig onbekende te meten", voegde Liao eraan toe.
"Multimode-detectie maakt een blik in het onbekende mogelijk. Door ons dynamisch bereik uit te breiden en naar miljoenen deeltjes te kijken, kunnen we ambitieuzere projecten aangaan en problemen uit de echte wereld oplossen."