Optische Barcodes erweitern das Angebot an hochauflösenden Sensoren

Die gleiche geometrische Eigenart, die es Besuchern ermöglicht, Nachrichten rund um die runde Kuppel der Flüstergalerie der St. Paul’s Cathedral in London oder über den Flüsterbogen der St. Louis Union Station zu murmeln, 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 konzentrieren 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 breite Einsatz von WGM-Resonatoren wurde jedoch durch ihren engen Dynamikbereich sowie ihre begrenzte Auflösung und Genauigkeit eingeschränkt.

In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie IEEE-Transaktionen zu Instrumentierung und MessungLan Yang, Professor für Edwin H. & Florence G. Skinner, und Jie Liao, wissenschaftlicher Postdoktorand, beide am Preston M. Green Department of Electrical & Systems Engineering der McKelvey School of Engineering der Washington University 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 unterschiedlicher Reaktionen jedes Modus, wodurch der Bereich der möglichen Messungen erheblich erweitert wird.

Bei der WGM-Erfassung wird Licht einer bestimmten Wellenlänge verwendet, das millionenfach um den Umfang des Mikroresonators zirkulieren kann. Wenn der Sensor auf ein Molekül trifft, verschiebt sich die Resonanzfrequenz des zirkulierenden Lichts. Forscher können diese Verschiebung dann messen, um das Vorhandensein spezifischer Moleküle zu erkennen und zu identifizieren.

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

Liao und Yang fanden die theoretische Grenze der WGM-Erkennung und nutzten sie, um die Erfassungsfähigkeiten eines Multimode-Systems abzuschätzen. Sie verglichen die herkömmliche Singlemode- mit der Multimode-Erfassung und stellten fest, dass die Singlemode-Erfassung zwar auf einen sehr engen Bereich beschränkt ist – etwa 20 Pikometer (pm), der durch die Laser-Hardware eingeschränkt wird –, dass der Bereich für die Multimode-Erfassung bei Verwendung desselben Aufbaus jedoch möglicherweise unbegrenzt ist.

„Mehr Resonanz bedeutet mehr Informationen“, sagte Liao. „Wir haben eine theoretisch unendliche Reichweite abgeleitet, obwohl wir praktisch durch die Messapparatur 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 zur WGM-Messung.“

Kommerzielle Anwendungen der Multimode-WGM-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.

Bei der Umweltüberwachung könnte die Multimode-Sensorik mit der Fähigkeit, kleinste Änderungen von Umweltparametern wie Temperatur und Druck zu erkennen, Frühwarnsysteme für Naturkatastrophen ermöglichen oder die Überwachung des Verschmutzungsgrads von Luft und Wasser erleichtern.

Diese neue Technologie ermöglicht auch die kontinuierliche Überwachung chemischer Reaktionen, wie die jüngsten Experimente von Yangs Gruppe zeigen. 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 der 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 den Blick ins Unbekannte. Indem wir unseren Dynamikbereich erweitern, um Millionen von Partikeln zu untersuchen, können wir ehrgeizigere Projekte angehen und reale Probleme lösen.“