Optische Barcodes erweitern das Angebot an hochauflösenden Sensoren

Die gleiche geometrische Eigenart, die es Besuchern ermöglicht, Nachrichten rund um die runde Kuppel der Whispering Gallery in der St. Paul’s Cathedral in London oder über den Whispering Arch an der Union Station in St. Louis zu flüstern, ermöglicht auch die Konstruktion hochauflösender optischer Sensoren. Whispering-Gallery Mode (WGM)-Resonatoren werden seit Jahrzehnten zur Erkennung chemischer Signaturen, DNA-Stränge und sogar einzelner Moleküle eingesetzt.

So wie die Architektur einer Flüstergalerie Schallwellen beugt und fokussiert, begrenzen und fokussieren WGM-Mikroresonatoren das Licht auf einer winzigen kreisförmigen Bahn. Dadurch können WGM-Resonatoren physikalische und biochemische Eigenschaften erkennen und quantifizieren, was sie ideal für hochauflösende Sensoranwendungen in Bereichen wie der biomedizinischen Diagnostik und der Umweltüberwachung macht.

Der weit verbreitete Einsatz von WGM-Resonatoren wurde jedoch durch ihren engen Dynamikbereich und ihre begrenzte Auflösung und Präzision begrenzt.

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie IEEE-Transaktionen zu Instrumentierung und MessungLan Yang, Edwin H. & Florence G. Skinner Professor, und Jie Liao, Postdoktorand, beide am Preston M. Green Department of Electrical and Systems Engineering der McKelvey School of Engineering der University of Washington in St. Louis. demonstrieren einen transformativen Ansatz zur Überwindung dieser Einschränkungen: optische WGM-Barcodes für die Multimode-Erkennung.

Die innovative Technik von Liao und Yang ermöglicht die gleichzeitige Überwachung mehrerer Resonanzmodi innerhalb eines einzelnen WGM-Resonators unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Reaktionen jedes Modus, wodurch der Bereich der möglichen Messungen erheblich erweitert wird.

Die WGM-Detektion nutzt eine bestimmte Lichtwellenlänge, die millionenfach um den Umfang des Mikroresonators fließen kann. Wenn der Sensor auf ein Molekül trifft, ändert sich die Resonanzfrequenz des fließenden Lichts. Forscher können diese Veränderung dann messen, um das Vorhandensein spezifischer Moleküle zu erkennen und zu identifizieren.

„Mit der Multimode-Erkennung können wir mehrere Wellenlängenresonanzänderungen erkennen, nicht nur eine“, erklärte Liao. „Mit mehreren Modi können wir die optische WGM-Erkennung auf einen größeren Wellenlängenbereich erweitern, eine höhere Auflösung und Präzision erreichen und letztendlich mehr Partikel erkennen.“

Liao und Yang fanden die theoretische Grenze der WGM-Erkennung und nutzten sie, um die Erkennungsfähigkeiten eines Multimode-Systems abzuschätzen. Sie verglichen die herkömmliche Single-Mode-Erkennung mit der Multi-Mode-Erkennung und stellten fest, dass die Single-Mode-Erkennung zwar auf einen sehr engen Bereich beschränkt ist (ungefähr 20 Pikometer (pm), begrenzt durch Laser-Hardware), der Bereich der Multi-Mode-Erkennung jedoch potenziell größer ist unbegrenzt mit der gleichen Konfiguration.

„Mehr Resonanz bedeutet mehr Informationen“, sagte Liao. „Wir haben eine theoretisch unendliche Reichweite abgeleitet, obwohl wir praktisch durch die Detektionsapparatur begrenzt sind. In dieser Studie war die experimentelle Grenze, die wir fanden, mit der neuen Methode etwa 350-mal größer als mit der herkömmlichen Methode der WGM-Detektion.“

Kommerzielle Anwendungen der WGM-Multimode-Sensorik könnten biomedizinische, chemische und umweltbezogene Anwendungen umfassen, sagte Yang. In biomedizinischen Anwendungen könnten Forscher beispielsweise subtile Veränderungen in molekularen Wechselwirkungen mit beispielloser Empfindlichkeit erkennen, um die Diagnose von Krankheiten und die Entdeckung von Arzneimitteln zu verbessern.

Im Bereich der Umweltüberwachung könnte die Multimode-Sensorik mit der Fähigkeit, kleinste Änderungen von Umweltparametern wie Temperatur und Druck zu erkennen, Frühwarnsysteme im Falle einer Naturkatastrophe ermöglichen oder die Überwachung des Ausmaßes der Luft- und Wasserverschmutzung erleichtern.

Diese neue Technologie ermöglicht auch die kontinuierliche Überwachung chemischer Reaktionen, wie in jüngsten Experimenten von Yangs Gruppe gezeigt wurde. Diese Fähigkeit verspricht eine Echtzeitanalyse und -steuerung chemischer Prozesse und bietet potenzielle Anwendungen in Bereichen wie der Pharmazeutik, der Materialwissenschaft und der Lebensmittelindustrie.

„Die ultrahohe Empfindlichkeit von WGM-Resonatoren ermöglicht uns die Erkennung einzelner Partikel und Ionen, aber das Potenzial dieser leistungsstarken Technologie wurde noch nicht vollständig ausgeschöpft, da wir diesen ultraempfindlichen Sensor nicht direkt zur Messung eines völlig Unbekannten verwenden können“, fügte Liao hinzu.

„Multimode-Sensorik ermöglicht es uns, das Unbekannte zu erforschen. Durch die Erweiterung unseres Dynamikbereichs zur Beobachtung von Millionen von Teilchen können wir ehrgeizigere Projekte angehen und reale Probleme lösen.“