Använda mikroskopiska polymerljusresonatorer som expanderar i närvaro av specifika gaser, forskare vid MIT:s Quantum Photonics Laboratory har utvecklat nya optiska sensorer med förutspådda detektionsnivåer i intervallet delar per miljard. Optiska sensorer är idealiska för att detektera spårgaskoncentrationer på grund av deras höga signal-brusförhållande, kompakt, lättviktig natur, och immunitet mot elektromagnetiska störningar.

Även om andra optiska gassensorer hade utvecklats tidigare, MIT-teamet skapade en extremt känslig, kompakt sätt att detektera försvinnande små mängder målmolekyler. De beskriver sitt nya tillvägagångssätt i tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik .

Forskarna tillverkade fotoniska kristallhåligheter i våglängdsskala från PMMA, en billig och flexibel polymer som sväller när den kommer i kontakt med en målgas. Polymeren är infunderad med fluorescerande färgämne, som emitterar selektivt vid kavitetens resonansvåglängd genom en process som kallas Purcell-effekten. Vid denna resonans, en specifik ljusfärg reflekteras fram och tillbaka några tusen gånger innan den så småningom läcker ut. Ett spektralfilter detekterar denna lilla färgförskjutning, som kan uppstå vid svullnad av kaviteten till och med under nanometernivå, och avslöjar i sin tur gaskoncentrationen.

"Dessa polymerer används ofta som beläggningar på andra material, så de är rikliga och säkra att hantera. På grund av deras deformation som svar på biokemiska ämnen, hålrumssensorer helt tillverkade av denna polymer leder till en sensor med snabbare respons och mycket högre känslighet, " sa Hannah Clevenson. Clevenson är doktorand vid avdelningen för elektroteknik och datavetenskap vid MIT, som ledde den experimentella insatsen i forskningschefen Dirk Englunds labb.

PMMA kan behandlas för att interagera specifikt med ett brett utbud av olika målkemikalier, vilket gör MIT-teamets sensordesign mycket mångsidig. Det finns ett brett utbud av potentiella tillämpningar för sensorn, sa Clevenson, "från industriell avkänning i stora kemiska anläggningar för säkerhetsapplikationer, till miljökänsla ute på fältet, till applikationer inom hemlandets säkerhet för att upptäcka giftiga gaser, till medicinska miljöer, där polymeren kunde behandlas för specifika antikroppar."

De tunna PMMA-polymerfilmerna, som är 400 nanometer tjocka, är mönstrade med strukturer som är 8-10 mikrometer långa och 600 nanometer breda och hängande i luften. I ett experiment, filmerna var inbäddade på silkespapper, vilket gjorde att 80 procent av sensorerna kunde hängas upp över luftspalterna i papperet. Att omge PMMA-filmen med luft är viktigt, Clevenson sa, både för att enheten kan svälla när den utsätts för målgasen, och eftersom de optiska egenskaperna hos luft gör att anordningen kan utformas för att fånga ljus som färdas i polymerfilmen.

Teamet fann att dessa sensorer är lätta att återanvända eftersom polymeren krymper tillbaka till sin ursprungliga längd när den riktade gasen har tagits bort.

Den nuvarande experimentella känsligheten för enheterna är 10 delar per miljon, men teamet förutspår att med ytterligare förfining, de kunde upptäcka gaser med del-per-miljard koncentrationsnivåer.