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1/f噪声抑制的光学外差干涉传感芯片

2021-08-19

 

纳米尺度(du)颗粒检测(ce)在(zai)(zai)(zai)疾病的(de)早期诊断、环境监测(ce)、易爆物品探测(ce)以(yi)及半导(dao)体(ti)制(zhi)造工艺流程(cheng)控制(zhi)等方(fang)面具有十分(fen)重要的(de)意义(yi)。例(li)如在(zai)(zai)(zai)疾病的(de)早期诊断方(fang)面,通常感染性(xing)病毒(COVID19,HIV,SARS-CoV,EBOV)的(de)尺寸在(zai)(zai)(zai)1 nm到800 nm之间,快速可靠的(de)病毒检测(ce)可以(yi)为治疗赢得宝贵时(shi)间。近年(nian)来,光学(xue)倏逝(shi)场传感器具有超高(gao)灵敏(min)度(du)和(he)非标记等独特(te)优势(shi),在(zai)(zai)(zai)精密测(ce)量(liang)、环境安全、生命(ming)健(jian)康(kang)等多领域应(ying)用中发(fa)挥着(zhe)重要作用。在(zai)(zai)(zai)传感过程(cheng)中,电学(xue)噪声(sheng)广泛分(fen)布在(zai)(zai)(zai)光电信号(hao)(hao)的(de)不同频率(lv)处(chu)。当电荷(he)流过导(dao)体(ti)或(huo)者电阻时(shi),将会产生强度(du)随频率(lv)成反比变化的(de)1/f 噪声(sheng)。然而(er),正是由于(yu)低(di)频1/f 噪声(sheng)主要存在(zai)(zai)(zai)的(de)区(qu)域与待测(ce)信号(hao)(hao)特(te)征频率(lv)区(qu)间重叠,导(dao)致(zhi)很(hen)多重要生化过程(cheng)(例(li)如抗原-抗体(ti)反应(ying)、细胞运动和(he)脱氧核糖核酸杂(za)交等)的(de)动态监测(ce)难以(yi)实现(xian)。

图1. 基于片上波导暗场(chang)外(wai)差(cha)干涉(she)仪(yi)的病(bing)毒检测。

图2. (a) 1/f 噪声抑制机制;(b) 采样噪声幅度随偏置频率增(zeng)加而下(xia)降(jiang);(c)不同偏置频率下(xia)的实时信号(hao)。

针对(dui)(dui)上(shang)述问题,北京大学(xue)(xue)纳光(guang)电(dian)子(zi)前沿科学(xue)(xue)中心,信(xin)息(xi)(xi)科学(xue)(xue)技术学(xue)(xue)院(yuan)电(dian)子(zi)学(xue)(xue)系(xi)王兴军课(ke)题组和(he)物理学(xue)(xue)院(yuan)人工微结构和(he)介观物理国家(jia)重点实(shi)验室肖云(yun)峰(feng)、龚旗煌(huang)课(ke)题组合(he)作,提(ti)(ti)(ti)出(chu)(chu)一种(zhong)通过(guo)光(guang)学(xue)(xue)暗场(chang)外差(cha)干涉仪(yi)与频率变换(huan)相(xiang)结合(he)的(de)传感新方(fang)法,可对(dui)(dui)1/f 噪声(sheng)进(jin)行(xing)(xing)高效(xiao)抑制(图(tu)2(a)),并(bing)(bing)通过(guo)CMOS兼容的(de)暗场(chang)外差(cha)波(bo)(bo)导干涉结构实(shi)现了(le)纳米尺度(du)(du)单(dan)颗粒(li)的(de)超(chao)高灵敏度(du)(du)检测(ce)(ce)(图(tu)1)。实(shi)验上(shang),研究人员(yuan)构造频率差(cha)为(wei)(wei)定值的(de)本振(zhen)光(guang)和(he)探针光(guang),采(cai)用暗场(chang)散射(she)的(de)方(fang)式将(jiang)带有(you)粒(li)子(zi)信(xin)息(xi)(xi)的(de)探针光(guang)在波(bo)(bo)导中与本振(zhen)光(guang)干涉形成(cheng)(cheng)射(she)频包(bao)络,并(bing)(bing)对(dui)(dui)包(bao)络信(xin)号进(jin)行(xing)(xing)实(shi)时(shi)采(cai)样和(he)降噪提(ti)(ti)(ti)取,达到(dao)了(le)采(cai)样噪声(sheng)幅度(du)(du)被抑制两(liang)个(ge)(ge)数量级的(de)效(xiao)果(图(tu)2)。利用该(gai)结构,成(cheng)(cheng)功实(shi)现了(le)对(dui)(dui)半径为(wei)(wei)30 nm的(de)单(dan)个(ge)(ge)聚苯乙(yi)烯(xi)颗粒(li)(信(xin)噪比超(chao)过(guo)14 dB)和(he)HIV-1病(bing)毒(du)(du)样颗粒(li)(SNR~20 dB)的(de)高灵敏检出(chu)(chu)(图(tu)3)。并(bing)(bing)且(qie)通过(guo)对(dui)(dui)传感信(xin)号的(de)统计(ji)和(he)分析,检测(ce)(ce)极限有(you)望进(jin)一步(bu)提(ti)(ti)(ti)升(sheng),并(bing)(bing)可实(shi)现对(dui)(dui)纳米颗粒(li)尺寸的(de)精确(que)测(ce)(ce)量(图(tu)3)。与此同(tong)时(shi),研究人员(yuan)还提(ti)(ti)(ti)出(chu)(chu)集成(cheng)(cheng)波(bo)(bo)导阵列(lie)的(de)方(fang)案(an),大幅度(du)(du)提(ti)(ti)(ti)升(sheng)检测(ce)(ce)速度(du)(du),并(bing)(bing)有(you)望实(shi)现对(dui)(dui)多种(zhong)病(bing)毒(du)(du)或分子(zi)进(jin)行(xing)(xing)复合(he)型检测(ce)(ce)(图(tu)4)。

图(tu)3. 传(chuan)感(gan)器(qi)对纳(na)米(mi)粒子(zi)检测得到的实时信号。(a)半(ban)径30 nm聚苯(ben)乙烯微球;(b)HIV-1病毒样颗粒;(c)传(chuan)感(gan)器(qi)探测极限估计与尺寸测量。

图4. 集(ji)成波导阵列实现(a)高速(su)传感;(b)复合(he)型传感。

此项工(gong)作通过光学(xue)暗(an)场外差干涉仪与频率变换相(xiang)结合的(de)传感新方(fang)法,在(zai)集成光学(xue)芯片中,将光电传感系统中的(de)采样噪声降低了两个数量(liang)级,实现(xian)了聚苯乙烯纳米(mi)微粒和单个病毒(du)颗(ke)粒的(de)高(gao)灵敏度(du)检(jian)测(ce)。此外,借助片上集成CMOS工(gong)艺优势,该(gai)工(gong)作提供了一种低成本、高(gao)效的(de)纳米(mi)尺度(du)颗(ke)粒动态(tai)监测(ce)平台,有(you)望广(guang)泛用于精密测(ce)量(liang)、环境安全和生(sheng)命健康等领域。

相关研(yan)究(jiu)(jiu)成(cheng)果于2021年(nian)3月(yue)31日以《1/f 噪声抑(yi)制的光学(xue)(xue)(xue)(xue)外差干涉传感芯片》(1/f-noise-free optical sensing with an integrated heterodyne interferometer)为(wei)题发(fa)表在《自然·通讯》(Nat. Commun.)上。北(bei)京(jing)大学(xue)(xue)(xue)(xue)信息科(ke)学(xue)(xue)(xue)(xue)技(ji)术(shu)学(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)博士(shi)(shi)生金明和物理学(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)博雅(ya)博士(shi)(shi)后唐(tang)水晶是论文的共(gong)同(tong)第一作者(zhe),肖云峰教授(shou)和王兴军(jun)教授(shou)为(wei)共(gong)同(tong)通讯作者(zhe)。论文的主要合作者(zhe)包括北(bei)京(jing)大学(xue)(xue)(xue)(xue)工学(xue)(xue)(xue)(xue)院(yuan)陈匡时研(yan)究(jiu)(jiu)员。研(yan)究(jiu)(jiu)工作得到了(le)科(ke)技(ji)部重点(dian)研(yan)发(fa)计划和国家(jia)自然科(ke)学(xue)(xue)(xue)(xue)基金委等(deng)的支持。

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