Dessin schématique des capteurs à microcavité sur puce. La lumière du laser sonde est couplée à la microcavité de la galerie de chuchotement via un cône de fibre. Les modes de cavité peuvent être caractérisés par le spectre de transmission, montré comme un creux de résonance. Lorsqu'une seule nanoparticule se lie à la surface de la microcavité, le changement de largeur de raie de la cavité et le changement de mode sont mesurés simultanément, représentant la méthode de détection dissipative et réactive, respectivement.
La détection ultrasensible de particules nanométriques a des applications dans des domaines importants allant de la surveillance environnementale à l'analyse des structures virales. Cependant, il reste extrêmement difficile en raison de la polarisabilité ultra-faible de petite taille, particules à faible indice. Une équipe dirigée par le professeur Xiao Yun-Feng de l'Université de Pékin, a collaboré avec l'Université Yonsei de la République de Corée, ont démontré expérimentalement que l'interaction dissipative dans une microcavité optique à Q élevé permet la détection de nanoparticules uniques. Ce travail a été publié dans un numéro récent de Examen physique appliqué .
Au cours des dernières années, Les microcavités optiques à Q élevé ont montré un grand potentiel dans les applications de détection en raison de l'interaction lumière-matière fortement améliorée. Le mécanisme de détection conventionnel, cependant, doit s'appuyer sur l'interaction réactive. La détection réactive est limitée par la polarisabilité de la particule, et échouera lorsque la partie réelle de la polarisabilité approchera de zéro. Dans la parution, les auteurs ont souligné que l'interaction dissipative ouvre un canal de désintégration du mode de cavité et entraîne le changement de largeur de raie de résonance, qui forme un schéma de détection efficace même lorsque la partie réelle de la polarisabilité de l'analyte approche de zéro, car l'amplitude du signal est déterminée par la perte d'absorption et la diffusion latérale de la particule.
Dans l'expérience, la détection de nanotiges d'or uniques est utilisée pour évaluer les performances de détection. "La nanotige d'or de la taille de 40 nm × 16 nm est un candidat parfait pour tester le capteur à microcavité pour deux raisons. L'une est que la polarisabilité de cette nanoparticule peut être ajustée en faisant varier la longueur d'onde de la sonde. L'autre est que la résonance plasmonique de surface de la particule de cette dimension coïncide avec l'une de nos longueurs d'onde de sonde dans l'expérience, à laquelle la partie réelle de la polarisabilité devient nulle, invalidant très probablement la méthode de détection réactive, mais en renforçant le dissipatif, " a déclaré le Dr YanyanZhi, chercheur postdoctoral et l'un des premiers co-auteurs de ce travail.
Les chercheurs ont examiné expérimentalement les méthodes de détection réactives et dissipatives en surveillant le changement de mode et le changement de largeur de raie de la résonance de la cavité à Q élevé, respectivement. Ils ont constaté que le signal de détection réactif ne peut pas être discerné des bruits lorsque la longueur d'onde de la sonde est en résonance plasmonique où la polarisabilité de la nanotige approche de zéro ; la méthode de détection dissipative proposée fonctionne toujours bien, ce qui est cohérent avec les prédictions théoriques. La limite de détection anticipée peut atteindre 13 nm×5 nm, qui est environ 12 fois plus petit en volume que ce qui peut être détecté par la méthode de détection réactive.
Cette méthode de détection dissipative fournit non seulement un nouveau mécanisme physique de détection des microcavités, mais représente également une étape importante vers des capteurs optiques pratiques dans les domaines de la chimie analytique, sciences de l'environnement, et biologie moléculaire.
"Pratiquement, il est prêt que le changement de mode et le changement de largeur de ligne du mode de cavité peuvent être mesurés simultanément, et ainsi les méthodes de détection réactives communes et dissipatives proposées sont compatibles les unes avec les autres, " a déclaré le professeur Xiao, « La combinaison de ces deux méthodes de détection ajoute de nouvelles dimensions à ce qui peut être mesuré en utilisant chacune des deux méthodes seules. La méthode de détection dissipative utilisant une microcavité à Q élevé offre une excellente plate-forme pour la détection de minuscules particules uniques, comme le virus vital, particules dans l'air pollué, particules avec perte dans le processus de fabrication, et d'autres nanoparticules d'intérêt."
