Met behulp van microscopisch kleine polymeer lichtresonatoren die uitzetten in aanwezigheid van specifieke gassen, onderzoekers van het Quantum Photonics Laboratory van MIT hebben nieuwe optische sensoren ontwikkeld met voorspelde detectieniveaus in het bereik van delen per miljard. Optische sensoren zijn ideaal voor het detecteren van sporengasconcentraties vanwege hun hoge signaal-ruisverhouding, compact, lichtgewicht natuur, en immuniteit voor elektromagnetische interferentie.

Hoewel er al eerder andere optische gassensoren waren ontwikkeld, het MIT-team bedacht een uiterst gevoelig, compacte manier om verdwijnend kleine hoeveelheden doelmoleculen te detecteren. Ze beschrijven hun nieuwe aanpak in het tijdschrift Technische Natuurkunde Brieven .

De onderzoekers fabriceerden fotonische kristalholtes op golflengteschaal van PMMA, een goedkoop en flexibel polymeer dat opzwelt wanneer het in contact komt met een doelgas. Het polymeer is doordrenkt met fluorescerende kleurstof, die selectief uitzendt op de resonantiegolflengte van de holte via een proces dat het Purcell-effect wordt genoemd. Bij deze resonantie een specifieke kleur licht reflecteert een paar duizend keer heen en weer voordat het uiteindelijk uitlekt. Een spectrale filter detecteert deze kleine kleurverschuiving, die kan optreden op zelfs sub-nanometer niveau zwelling van de holte, en onthult op zijn beurt de gasconcentratie.

"Deze polymeren worden vaak gebruikt als coating op andere materialen, dus ze zijn overvloedig en veilig te hanteren. Vanwege hun vervorming als reactie op biochemische stoffen, holtesensoren die volledig van dit polymeer zijn gemaakt, leiden tot een sensor met een snellere respons en een veel hogere gevoeligheid, ", zei Hannah Clevenson. Clevenson is een PhD-student op de afdeling elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT, die de experimentele inspanning leidde in het laboratorium van hoofdonderzoeker Dirk Englund.

PMMA kan worden behandeld om specifiek te interageren met een breed scala aan verschillende doelchemicaliën, waardoor het sensorontwerp van het MIT-team zeer veelzijdig is. Er is een breed scala aan mogelijke toepassingen voor de sensor, zei Clevenson, "van industriële detectie in grote chemische fabrieken voor veiligheidstoepassingen, tot omgevingsdetectie in het veld, tot binnenlandse veiligheidstoepassingen voor het opsporen van giftige gassen, naar medische instellingen, waar het polymeer kan worden behandeld voor specifieke antilichamen."

De dunne PMMA-polymeerfilms, die 400 nanometer dik zijn, zijn van een patroon voorzien met structuren die 8-10 micrometer lang en 600 nanometer breed zijn en in de lucht hangen. In een experiment, de films werden ingebed op tissuepapier, waardoor 80 procent van de sensoren over de luchtspleten in het papier kon worden opgehangen. Het is belangrijk om de PMMA-film met lucht te omringen, Clevenson zei, zowel omdat het apparaat kan zwellen wanneer het wordt blootgesteld aan het doelgas, en omdat de optische eigenschappen van lucht het mogelijk maken dat het apparaat wordt ontworpen om licht dat zich in de polymeerfilm verplaatst, op te vangen.

Het team ontdekte dat deze sensoren gemakkelijk herbruikbaar zijn, omdat het polymeer terug krimpt tot zijn oorspronkelijke lengte zodra het beoogde gas is verwijderd.

De huidige experimentele gevoeligheid van de apparaten is 10 delen per miljoen, maar het team voorspelt dat met verdere verfijning, ze konden gassen detecteren met een concentratie van deeltjes per miljard.