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中紅外光譜對于傳感是必不可少的，其直接表征該光譜范圍特有的化學(xué)特異性的分子結(jié)構(gòu)，也是一種功能強(qiáng)大的非破壞性和無標(biāo)簽技術(shù)，用于鑒定生物化學(xué)結(jié)構(gòu)單元，包括蛋白質(zhì)，脂質(zhì)和DNA。然而，由于中紅外波長與分子尺寸之間的不匹配，中紅外光譜在檢測納米級樣品、生物膜或少量表面結(jié)合分子時(shí)受到限制。納米光子學(xué)可以通過利用亞波長諧振器的強(qiáng)近場增強(qiáng)來克服這個(gè)限制。當(dāng)共振與吸收指紋在光譜上重疊時(shí)，增強(qiáng)的分子-諧振器耦合可以導(dǎo)致共振的頻率或強(qiáng)度的變化，從中可以提取分子指紋。然而，由于電阻損耗造成的低Q（品質(zhì)因數(shù)）共振的固有限制，所實(shí)現(xiàn)的性能仍然遠(yuǎn)非理想的。

今日，在瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）Hatice Altug教授的帶領(lǐng)下，與澳大利亞國立大學(xué)合作，報(bào)告了一種基于全介電高Q超表面元素的中紅外納米光電傳感器。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的超表面中的高Q共振利用了Mie共振的集合行為，它可以被認(rèn)為是由連續(xù)譜中束縛態(tài)物理所驅(qū)動(dòng)的超空泡模式。此外，設(shè)計(jì)的高Q共振頻譜清晰無需額外的共振背景，允許高光譜選擇性增強(qiáng)富含光譜的分子指紋信息。具體而言，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高Q值的二維陣列，其中各個(gè)元像素的共振位置在中紅外指紋范圍內(nèi)線性變化。這種構(gòu)造允許將每個(gè)共振位置分配給變換表面的特定像素，從而建立光譜和空間信息之間的一對一映射。通過比較涂覆目標(biāo)分析物分子前后這種空間編碼的振動(dòng)信息的基于成像的讀出，證明了化學(xué)特性的分子條形碼適用于化學(xué)鑒定和成分分析。相關(guān)成果以題為“Metasurfaces for molecular detection”發(fā)表在了Science上。

圖1 用像素化介質(zhì)變換表面進(jìn)行分子指紋檢測

圖2 像素化曲面的實(shí)現(xiàn)

圖3 分子指紋檢索和空間吸收映射

圖4 基于成像的化學(xué)鑒定和成分分析

該團(tuán)隊(duì)的納米光子技術(shù)提供了紅外吸收光譜的前景?；赟i的像素化轉(zhuǎn)換表面與用于低成本晶圓級傳感器制造的CMOS技術(shù)兼容，可以與最先進(jìn)的表面功能化技術(shù)相結(jié)合，用于更復(fù)雜的生物測定。通過減小諧振器的方位角可以進(jìn)一步改善表面的靈敏度和Q因子。另外，通過使用更復(fù)雜的元原子設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的近場增強(qiáng)。用此法獲得的分子條形碼為先進(jìn)的圖像分析提供了獨(dú)特的可能性，為多功能和敏感的小型化中紅外光譜設(shè)備鋪平了道路。