Американские ученые предложили новую схему детектирования наноразмерных объектов, без применения маркеров, с использованием лазера.

Детектирование наноразмерных объектов, в частности различных вирусов, без применения маркеров весьма привлекательно. Однако низкая поляризуемость этих объектов, вместе со слабым контрастом показателя преломления нанообъекта относительно окружающей среды сильно ограничивают набор экспериментальных средств. Одним из немногих оставшихся инструментов в арсенале исследователей является лазер так называемой «моды шепчущей волны» (WGM), чьей особенностью является наличие нескольких пространственных радиальных мод.

Рис. 1. а) Схема эксперимента для детектирования наноразмерных объектов b) изменение показаний осциллографа от количества добавленных нанообъектов.

Схема детектирования, предложенная коллективом американских ученых, состоит из лазера (источник подкачки, тороидальный резонатор, в котором также заключено рабочее тело- кварц, легированный ионами эрбия), мультиплексора, разделяющего две моды излучения, которые затем вновь «встречаются» в фотодетекторе, на выходе которого детектировался тон биений, равный разности частот расщепленных мод лазера. Однако при холостом ходе энергия обеих мод лазера (распространяющихся в противоположных направлениях) вырождена и на осциллографе наблюдается прямая линия. Как только наноразмерный объект (в статье это шарик полистирола или вирус гриппа Influenza A) попадает в переменное поле затухающих колебаний лазера вырождение снимается, и осциллограф «оживает». При увеличении количества нанобъектов разница энергий постепенно увеличивается, что отражается на увеличении частоты колебаний на экране осциллографа.

Рис. 2. Изменение частоты на осциллографе в зависимости от количества нанообъектов при детектировании вируса Influenza A, наночастиц полистирена диаметром 15 нм и наночастиц золота диаметром 10 нм.

Для уменьшения ошибок в процессе детектирования (например, если система не «видит» вновь добавленной частицы) авторы статьи предлагают использовать лазер, работающий на модах с двумя невырожденными значениями энергии. Получаемый на осциллографе спектр после фурье-преобразования позволяет разделить расщепление, вызванное детектируемыми частицами, на разных модах, и независимо друг от друга детектировать изменения частоты при добавлении новых порций наночастиц.

Рис. 3. Детектирование с помощью лазера с двумя различными значениями энергии мод. а) Спектр лазера b) колебания на осциллографе и соответствующее фурье-преобразование с,d) диаграммы, иллюстрирующие уменьшение ошибки при использовании «двухмодного» лазера.

Еще более заманчиво детектировать наночастицы и биологические объекты в водной среде. Для решения этой проблемы исследователи использовали лазер с рабочим веществом Yb:SiO₂, поскольку на длине волны, соответствующей переходу ²F_5/2→ ²F_7/2 иона иттербия (1040 нм), наблюдается слабое поглощение воды.

Рис. 4. Детектирование в воде. а) Спектр лазера b) колебания на осциллографе c) фотография микролазера под водой.

Результаты исследований опубликованы в статье

Lina He, Şahin Kaya Özdemir, Jiangang Zhu, Woosung Kim & Lan Yang Detecting single viruses and nanoparticles using whispering gallery microlasers. – Nature Nanotechnology. – 2011. – 6. – P. 428–432; doi:10.1038/nnano.2011.99; Published online 26 June 2011.