基于回音壁模式微腔的单个纳米颗粒质量传感研究

Nanoparticle detection is of critical importance in applications of early-stage diagnostics, explosive matter and environmental monitoring, and biomedical research. However, due to the size and the refractive index, the polarizabilities of single nanoparticles are ultra-small, weakening the light-matter interactions, and it is thus extremely challenging to achieve label-free, ultra-sensitive sensor with a detection limit down to single nanoparticles. Optical microcavities with high quality factors and low mode volume can significantly enhance interactions between light and analytes, making them potential platforms for single nanoparticle detection. This project proposes a novel sensing method using optical whispering gallery mode microcavities. The mechanical oscillations of a microcavity can be excited by the optical mode, and the mass information of a single nanoparticle can then be obtained via the mechanical mode change induced by the analyte. In the project, we will investigate the optomechnical mechanisms of the mass sensing, how to achieve mass sensing of single nanoparticles, and how to improve the detection limit. Based on the research, a micro-size, lab-on-chip, ultra-sensitive mass sensor with single-nanoparticle detection limit will be realized, and a theory for mass sensor based on the optomechnical phenomena of microcavities will be established.

纳米尺度颗粒的检测在早期疾病诊断、易燃易爆物品探测、环境监测以及生物医学的基础研究方面都有着至关重要的作用，然而纳米颗粒由于其尺寸和折射率的原因，导致其极化率很小，严重削弱了光与物质的相互作用，使得无标记、高灵敏度的单个纳米颗粒传感面临着巨大的挑战。光学微腔由于其超高的品质因子以及较低的模式体积，极大的增强了光与物质的相互作用，成为制作单个纳米颗粒传感器的极具潜力的平台。本项目提出一种创新型的传感方法，利用光学回音壁模式微腔的光学模式激发微腔的机械模式，通过机械模式的改变作为传感信号，检测单个纳米颗粒的质量信息。项目将重点围绕光力耦合机理、质量传感的物理机制、如何实现传感以及降低检测极限等几个方面开展研究。通过本项目的研究，我们将实现一种微米尺寸、可片上集成、高灵敏度的单个纳米颗粒质量传感器，并为基于光力耦合现象的传感器件的研究提供理论基础和研究方法。

光学微腔由于其超高的品质因子以及较低的模式体积，极大的增强了光与物质的相互作用，成为制作单个纳米颗粒传感器的极具潜力的平台。本项目提出了一种基于微腔机械模式的传感方法，利用光学回音壁模式微腔的光学模式激发微腔的机械模式，通过机械模式的改变作为传感信号，检测单个纳米颗粒的质量信息。项目围绕光力耦合机理、质量传感的物理机制、如何实现传感以及降低检测极限等几个方面开展了研究。项目执行期间，课题组在实验和理论研究方面均取得重要进展，受本项目资助，课题负责人以第一/共一/通讯作者发表期刊论文5篇，其中Light: Science&Applications 1篇，Optics Express 2篇，Optics Letters 1篇，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 1篇。首先，有别于传统的光纤锥-微腔存在间隙的耦合方式，采用了光纤锥-微腔相接触的耦合方式，在激发微腔机械模式的同时，抑制了光纤锥的抖动，达到了更稳定的耦合状态，从而降低了微腔机械模式的不确定度，将实验噪声降低了三个数量级。其次，进一步研究了基于片上微芯圆环腔的机械模式进行单个纳米颗粒的质量传感，比较了各阶机械模式的灵敏度，以及灵敏度与各参数，包括颗粒位置、微腔的主直径、副直径、厚度、基柱尺寸、传感面积之间的相互依赖关系，达到了在设计微腔时优化参数的目的。通过本项目的研究，我们实现了一种微米尺寸、可片上集成、高灵敏度的单个纳米颗粒质量传感器，提出了一种降低实验噪声的方法，并从理论上提出了一种优化传感灵敏度的方法，为优化检测极限提供了理论基础以及实验研究方法，在早期疾病诊断、易燃易爆物品探测、环境监测以及生物医学的基础研究方面都有着至关重要的作用。