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Las interacciones luz-materia mejoradas por microcavidades ópticas proporcionan una poderosa herramienta en forma de microrresonadores para métodos de detección rápidos y precisos. Tales herramientas allanan el camino para aplicaciones en detección molecular, incluidas nanopartículas, células y moléculas más grandes.
![Microláser sin marcas para la detección cualitativa y cuantitativa de gases](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39796_16656709479358057.jpg)
Estudio: un microláser funcionalizado con grafeno monolítico para la detección de gases multiespecies. Crédito de la foto: Matauw/Shutterstock.com
Estas microcavidades son intrínsecamente inertes, lo que desafortunadamente limita su uso en áreas de investigación emergentes, incluida la detección de gases.
En un artículo aceptado en la revista Advanced Materials, los investigadores desarrollaron un sensor microláser funcionalizado depositando grafeno monolítico en una microesfera supermodal cargada de erbio (Er).
El microláser funcionalizado con grafeno permitió la detección de gases multiespecies sin laboratorio a partir de mezclas de gases, así como la detección de gases a nivel molecular con sensibilidad ultra alta.
Detección de gas con microcavidades en el modo de galería susurrante
Las microcavidades basadas en Whispering Gallery Mode (WGM) tienen la Q más alta entre las diversas estructuras de microcavidades. En los últimos años, esta característica ha convertido a los microrresonadores basados en WGM en el centro de la investigación sobre sensores fotónicos.
Un rayo de luz sufre una reflexión interna total a lo largo de un borde cóncavo en ondas de galería susurrantes, lo que da como resultado la propagación de la luz en modos de guía de ondas circulantes.
Las interacciones mejoradas de la luz y la materia en una microcavidad de onda guía susurrante permiten la formación de microsensores, microláseres y microespectrómetros.
Una microcavidad en modo de guía de susurro ofrece claras ventajas cuando se usa en detección química y biológica. Proporciona una resolución de alta frecuencia de submegahercios al determinar la interferencia pasiva entre diferentes modos de cavidad y las resonancias de los modos de desplazamiento o expansión.
El ADN, las moléculas de proteínas, los virus, las células individuales y las nanopartículas se han detectado previamente con este método.
Alcance para desarrollos futuros con WGM
Dentro de las cavidades activas, donde la integración monolítica de un láser ofrece una mejor estabilidad y una resolución de frecuencia mejorada, el rendimiento de un sensor de modo de galería susurrante se puede mejorar aún más.
Dichos sistemas tienen un potencial considerable para fines de detección de gases; sin embargo, los materiales utilizados en las microcavidades estándar de la galería susurrante son intrínsecamente inertes y, por lo tanto, inadecuados para la adsorción y detección de gases.
Los materiales bidimensionales se pueden equipar con microcavidades, p. B. Los microrresonadores basados en WGM están hibridados. Esto ofrece un nuevo enfoque para mejorar la interacción entre fotones y electrones, creando así una plataforma única de detección de gases.
Metodología de investigación
El equipo presentó un sistema láser de microesferas activo basado en WGM funcionalizado con una sola capa de grafeno. El dispositivo fue capaz de detectar gases altamente sensibles para varias especies.
El microláser podría detectar dióxido de carbono, amoníaco, dióxido de nitrógeno y moléculas de agua en una mezcla a nivel molecular.
Debido a su naturaleza transmodal, el equipo produjo múltiples modos de láser en un solo dispositivo. El grafeno interactuó con modos de orden superior en la microcavidad del láser sin degradación térmica al depositar la monocapa de grafeno a 20° del ecuador.
La retrodispersión causada por la monocapa de grafeno dio como resultado la ruptura de la simetría y la división del modo en ciertas frecuencias, lo que podría detectarse con precisión con un pulso heterodino optoelectrónico.
Además, la adsorción de moléculas de gas en la monocapa de grafeno afectó su nivel de Fermi, cambiando la constante dieléctrica efectiva de la microcavidad, lo que resultó en variaciones de separación de modo de decenas de kHz/ppb.
Luego, los investigadores pudieron cuantificar con precisión la presencia de diferentes gases en una mezcla con gran precisión, selectividad y sensibilidad.
¿Qué encontraron los investigadores?
En este estudio, el equipo creó múltiples láseres de modo dividido en una microcavidad activa funcionalizada con grafeno, creando un sensor ultrasensible totalmente óptico para la detección de gases de múltiples especies.
Los investigadores colocaron una monocapa de grafeno a 20º del ecuador de la microcavidad. Esto les permitió identificar y medir las compensaciones de fisión láser que eran particularmente sensibles a la adsorción de gas polar en el grafeno.
El espectro de alta frecuencia podría monitorear fácilmente las señales de latido generadas por estos cambios de frecuencia.
Al explotar los anchos de línea estrechos y uniformes del sistema de microláser, se logró una resolución espectral en el rango de subkilohercios, lo que permitió la detección de gas en el rango de concentración de ppb. Además, múltiples aciertos en un dispositivo hicieron posible detectar diferentes gases en una mezcla.
Este sistema ofrece un instrumento óptico sin etiquetas para la detección cualitativa y cuantitativa de gases con los beneficios adicionales de tamaño pequeño, consumo mínimo de energía y facilidad de uso.
Relación
Guo Y, Li Z y otros. (2022). Un microláser funcionalizado con grafeno monolítico para la detección de gases multiespecies. Materiales avanzados. Disponible en: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207777
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