Strichcodes erweitern die Bandbreite von hochauflösenden Sensoren
Optische Barcodes für Multimode-Sensorik haben potenzielle Anwendungen in der biomedizinischen Diagnostik, Umweltüberwachung, chemischen Sensorik und anderen Bereichen
Dieselbe geometrische Eigenart, die es Besuchern ermöglicht, Botschaften um die kreisförmige Kuppel der Flüstergalerie der St. Paul's Cathedral in London oder über den Flüsterbogen der Union Station in St. Louis zu murmeln, ermöglicht auch den Bau hochauflösender optischer Sensoren. Flüstergalerie-Resonatoren (WGM-Resonatoren) werden seit Jahrzehnten zum Nachweis von chemischen Signaturen, DNA-Strängen und sogar einzelnen Molekülen verwendet.
Ähnlich wie die Architektur einer Flüstergalerie Schallwellen biegt und fokussiert, bündeln WGM-Mikroresonatoren Licht auf einer winzigen Kreisbahn. Dadurch sind WGM-Resonatoren in der Lage, physikalische und biochemische Eigenschaften zu erkennen und zu quantifizieren, was sie ideal für hochauflösende Sensoranwendungen in Bereichen wie der biomedizinischen Diagnostik und der Umweltüberwachung macht. Die breite Anwendung von WGM-Resonatoren wurde jedoch durch ihren engen dynamischen Bereich sowie ihre begrenzte Auflösung und Genauigkeit eingeschränkt.
In einer aktuellen Studie zeigen Lan Yang, Edwin H. & Florence G. Skinner Professor, und Jie Liao, wissenschaftlicher Mitarbeiter, beide am Preston M. Green Department of Electrical & Systems Engineering in der McKelvey School of Engineering an der Washington University in St. Louis, einen neuartigen Ansatz zur Überwindung dieser Einschränkungen: optische WGM-Barcodes für Multimode-Sensorik. Die innovative Technik von Liao und Yang ermöglicht die gleichzeitige Überwachung mehrerer Resonanzmoden in einem einzigen WGM-Resonator, wobei die unterschiedlichen Antworten der einzelnen Moden berücksichtigt werden, was die Bandbreite der möglichen Messungen erheblich erweitert.
Bei der WGM-Sensorik wird eine bestimmte Wellenlänge des Lichts verwendet, das den Umfang des Mikroresonators millionenfach umrunden kann. Wenn der Sensor auf ein Molekül trifft, verschiebt sich die Resonanzfrequenz des zirkulierenden Lichts. Die Forscher können dann diese Verschiebung messen, um die Anwesenheit bestimmter Moleküle zu erkennen und zu identifizieren.
"Mit der Multimode-Sensorik können wir mehrere Resonanzänderungen in der Wellenlänge auffangen, nicht nur eine", erklärt Liao. "Mit mehreren Modi können wir die optische WGM-Sensorik auf einen größeren Wellenlängenbereich ausdehnen, eine höhere Auflösung und Genauigkeit erreichen und letztlich mehr Partikel erfassen."
Liao und Yang fanden die theoretische Grenze der WGM-Detektion und nutzten sie, um die Erfassungsmöglichkeiten eines Multimodensystems abzuschätzen. Sie verglichen die herkömmliche Singlemode- mit der Multimode-Sensorik und stellten fest, dass die Singlemode-Sensorik auf einen sehr engen Bereich - etwa 20 Pikometer (pm) - beschränkt ist, der durch die Laserhardware eingeschränkt wird, während die Reichweite der Multimode-Sensorik mit demselben Aufbau potenziell unbegrenzt ist.
"Mehr Resonanz bedeutet mehr Information", sagte Liao. "Wir haben eine theoretisch unendliche Reichweite abgeleitet, obwohl wir praktisch durch die Messapparatur eingeschränkt sind. In dieser Studie war die experimentelle Grenze, die wir gefunden haben, mit der neuen Methode etwa 350-mal größer als die herkömmliche Methode für WGM-Sensoren.
Kommerzielle Anwendungen der Multimode-WGM-Sensorik könnten laut Yang biomedizinische, chemische und Umweltanwendungen umfassen. Bei biomedizinischen Anwendungen könnten Forscher zum Beispiel subtile Veränderungen in molekularen Interaktionen mit einer noch nie dagewesenen Empfindlichkeit erkennen, um die Diagnose von Krankheiten und die Entdeckung von Medikamenten zu verbessern. In der Umweltüberwachung könnte die Multimode-Sensorik mit ihrer Fähigkeit, kleinste Veränderungen von Umweltparametern wie Temperatur und Druck zu erkennen, Frühwarnsysteme für Naturkatastrophen ermöglichen oder die Überwachung des Verschmutzungsgrads in Luft und Wasser erleichtern.
Diese neue Technologie ermöglicht auch die kontinuierliche Überwachung chemischer Reaktionen, wie die jüngsten Experimente der Gruppe von Yang zeigen. Diese Fähigkeit ist vielversprechend für die Echtzeitanalyse und -kontrolle chemischer Prozesse und bietet potenzielle Anwendungen in Bereichen wie Pharmazie, Materialwissenschaft und Lebensmittelindustrie.
"Die ultrahohe Empfindlichkeit der WGM-Resonatoren ermöglicht es uns, einzelne Partikel und Ionen zu detektieren, aber das Potenzial dieser leistungsstarken Technologie wurde bisher nicht voll ausgeschöpft, da wir diesen ultrasensiblen Sensor nicht direkt zur Messung einer kompletten Unbekannten verwenden können", fügte Liao hinzu. "Die Multimode-Sensorik ermöglicht diesen Blick ins Unbekannte. Indem wir unseren dynamischen Bereich erweitern, um Millionen von Partikeln zu betrachten, können wir ehrgeizigere Projekte in Angriff nehmen und reale Probleme lösen."
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