科学研究

太阳集团娱乐场登陆网站电子学系王兴军课题组在纳米尺度单颗粒检测研究中取得重要进展

发布时间:2021-03-31

信息来源:电子学系

日前,太阳集团娱乐场登陆网站电子学系、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室王兴军课题组与北京大学物理学院、纳光电子前沿科学中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室肖云峰教授和龚旗煌院士领导的课题组合作,在微纳光学传感研究中取得重要进展。他们利用光学暗场外差干涉仪和频率变换相结合的传感新方法,将实时信号采样噪声降低了两个数量级,并成功实现了聚苯乙烯纳米微粒和单个病毒样颗粒的高灵敏度检测。

光学倏逝场传感器具有超高灵敏度和非标记等独特优势,在精密测量、环境安全、生命健康等多领域应用中发挥着重要作用。然而,在传感过程中固有的低频电噪声,主要包括1 / f低频噪声,导致很多重要生化过程(例如抗原-抗体反应、细胞运动和脱氧核糖核酸杂交等)的动态监测难以实现。

为此,联合课题组提出一种通过光学暗场外差干涉仪与频率变换相结合的传感新方法,可对1/f噪声进行高效抑制(图1a),并通过CMOS兼容的暗场外差波导干涉结构实现了纳米尺度单颗粒的超高灵敏度检测(图1b)。实验中,采样噪声幅度被抑制了两个数量级,使得成功检出半径为30 nm的单个聚苯乙烯颗粒(信噪比超过14 dB)和人类免疫缺陷病毒1型(HIV-1)病毒样颗粒(SNR~20 dB)。通过对传感信号的统计和分析,检测极限有望进一步提升,并实现对纳米颗粒尺寸的精确测量。与此同时,联合课题组还提出集成波导阵列的方案,大幅度提升检测速度,有望实现对多种病毒或分子进行复合型检测。

(a) 1/f噪声抑制机制;(b)基于片上波导暗场外差干涉仪的单颗粒检测

2021年3月30日,相关研究成果以《1/f噪声抑制的片上光学传感》(“1/f-noise-free optical sensing with an integrated heterodyne interferometer”)为题,在线发表于《自然·通讯》(Nature Communications);第一作者是太阳集团娱乐场登陆网站电子学系2017级博士研究生金明和物理学院“博雅”博士后唐水晶,通讯作者为王兴军教授和肖云峰教授。工学院陈匡时研究员提供了HIV-1病毒样颗粒,有力支撑了本项研究。

上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、人工微结构和介观物理国家重点实验室、区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室和北京大学高性能计算平台等支持。

论文原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-22271-4