Tänk dig en handhållen miljösensor som direkt kan testa vatten för bly, E coli, och bekämpningsmedel på samma gång, eller en biosensor som kan utföra en fullständig blodupparbetning från bara en enda droppe. Det är löfte om nanoskala plasmonisk interferometri, en teknik som kombinerar nanoteknik med plasmonik - samspelet mellan elektroner i en metall och ljus.

Nu har forskare från Brown University's Engineering School gjort ett viktigt grundläggande framsteg som kan göra sådana enheter mer praktiska. Forskargruppen har utvecklat en teknik som eliminerar behovet av högspecialiserade externa ljuskällor som levererar sammanhängande ljus, som tekniken normalt kräver. Förskottet kan möjliggöra mer mångsidiga och mer kompakta enheter.

"Det har alltid antagits att koherent ljus var nödvändigt för plasmonisk interferometri, "sa Domenico Pacifici, en professor i teknik som övervakade arbetet med sin postdoktoral forskare Dongfang Li, och doktorand Jing Feng. "Men vi kunde motbevisa det antagandet."

Forskningen beskrivs i Nature Vetenskapliga rapporter .

Plasmoniska interferometrar utnyttjar samspelet mellan ljus och ytplasmonpolaritoner, densitetsvågor som skapas när ljusenergin skramlar över fria elektroner i en metall. En typ av interferometer ser ut som en bull-eye-struktur etsad i ett tunt lager av metall. I mitten är ett hål som stickas genom metallskiktet med en diameter på cirka 300 nanometer - cirka 1, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår. Hålet omges av en serie etsade spår, med diametrar på några mikrometer. Tusentals av dessa tjurar kan placeras på ett chip som är stor som en nagel.

När ljus från en extern källa visas på ytan av en interferometer, några av fotonerna går genom det centrala hålet, medan andra är utspridda av spåren. De spridda fotonerna genererar ytplasmoner som sprider sig genom metallen inåt mot hålet, där de interagerar med fotoner som passerar genom hålet. Det skapar ett interferensmönster i ljuset från hålet, som kan registreras av en detektor under metallytan.

När en vätska avsätts ovanpå en interferometer, ljuset och ytplasmonerna förökar sig genom den vätskan innan de stör varandra. Det förändrar interferensmönstren som tas upp av detektorn beroende på den kemiska sammansättningen av vätskan eller föreningarna som finns i den. Genom att använda olika storlekar av spårringar runt hålet, interferometrarna kan ställas in för att detektera signaturen av specifika föreningar eller molekyler. Med möjligheten att sätta många olika inställda interferometrar på ett chip, ingenjörer kan hypotetiskt göra en mångsidig detektor.

Tills nu, alla plasmoniska interferometrar har krävt användning av högspecialiserade externa ljuskällor som kan leverera sammanhängande ljus - strålar där ljusvågor är parallella, har samma våglängd, och färdas i fas (vilket betyder att vågornas toppar och dalar är i linje). Utan sammanhängande ljuskällor, interferometrarna kan inte producera användbara störningsmönster. Den typen av ljuskällor, dock, tenderar att vara skrymmande, dyr, och kräver noggrann anpassning och periodisk omkalibrering för att få ett tillförlitligt optiskt svar.

Men Pacifici och hans grupp har kommit på ett sätt att eliminera behovet av externt sammanhängande ljus. I den nya metoden, fluorescerande ljusemitterande atomer är integrerade direkt i det lilla hålet i mitten av interferometern. En extern ljuskälla är fortfarande nödvändig för att excitera de interna sändarna, men det behöver inte vara en specialiserad sammanhängande källa.

"Detta är ett helt nytt koncept för optisk interferometri, "Pacifici sa, "en helt ny enhet."

I den här nya enheten, osammanhängande ljus som visas på interferometern får fluorescerande atomer inuti mitthålet att generera ytplasmoner. Dessa plasmoner sprider sig utåt från hålet, studsa av spårringarna, och föröka sig tillbaka mot hålet efter. När en plasmon förökar sig tillbaka, den interagerar med atomen som släppte den, orsakar störningar med den direkt överförda fotonen. Eftersom utsläpp av en foton och generering av en plasmon inte går att skilja, alternativa vägar som kommer från samma sändare, processen är naturligt koherent och störningar kan därför inträffa även om sändarna exciteras osammanhängande.

"Det viktiga här är att det här är en självinterferensprocess, "Pacifici sa." Det spelar ingen roll att du använder osammanhängande ljus för att excitera sändarna, du får fortfarande en sammanhängande process. "

Förutom att eliminera behovet av specialiserade externa ljuskällor, tillvägagångssättet har flera fördelar, Sade Pacifici. Eftersom ytplasmonerna reser ut från hålet och tillbaka igen, de sonderar provet ovanpå interferometerytan två gånger. Det gör enheten mer känslig.

Men det är inte den enda fördelen. I den nya enheten, yttre ljus kan projiceras under metallytan som innehåller interferometrarna istället för uppifrån. Det eliminerar behovet av komplexa belysningsarkitekturer ovanpå avkänningsytan, vilket skulle göra det enklare att integrera i kompakta enheter.

De inbäddade ljusstrålarna eliminerar också behovet av att kontrollera mängden provvätska som avsätts på interferometerns yta. Stora droppar vätska kan orsaka linser, en böjning av ljus som kan kryptera resultaten från interferometern. De flesta plasmoniska sensorer använder små mikrofluidkanaler för att leverera en tunn vätskefilm för att undvika linsproblem. Men med inre ljusstrålar upphetsade från bottenytan, det yttre ljuset kommer aldrig i kontakt med provet, så linser påverkas inte, liksom behovet av mikrofluidik.

Till sist, de interna sändarna ger ett lågintensivt ljus. Det är bra för att undersöka känsliga prover, såsom proteiner, än kan skadas av högintensivt ljus.

Mer arbete krävs för att få ut systemet från labbet och till enheter, och Pacifici och hans team planerar att fortsätta förfina idén. Nästa steg blir att försöka eliminera den externa ljuskällan helt och hållet. Det kan vara möjligt, säger forskarna, att så småningom excitera de interna sändarna med små fiberoptiska linjer, eller kanske elektrisk ström.

Fortfarande, detta första proof-of-concept är lovande, Sade Pacifici.

"Ur en grundläggande synpunkt, vi tror att den här nya enheten representerar ett betydande steg framåt, " han sa, "en första demonstration av plasmonisk interferometri med osammanhängande ljus".