近年來，光學微腔傳感技術(shù)憑借超高靈敏度、無需標記、快速響應(yīng)及易于集成等優(yōu)勢在生物傳感和精密測量等前沿研究中獨樹一幟。

目前光學微腔傳感研究主要面向待測物存在與否及其濃度大小的檢測，抑或?qū)我晃锢砹浚ㄈ鐪囟?、濕度、磁場等）變化的監(jiān)測。特別地，超高品質(zhì)因子回音壁光學微腔，結(jié)合局域表面等離激元增強、激光鎖模、光學彈簧效應(yīng)等技術(shù)或機制，已經(jīng)達到單分子乃至單離子檢測水平。

但是，在物理化學反應(yīng)過程中復(fù)雜動力學的研究分析方面還頗具挑戰(zhàn)，這主要是因為上述過程通常同時存在多種效應(yīng)共同作用，而傳統(tǒng)的微腔傳感機制（如單個諧振模式的偏移等）難以實現(xiàn)多參量的實時解耦與獨立測量。

近日，北京郵電大學楊大全副教授、廈門大學陳錦輝副教授和北京大學肖云峰教授、曹啟韜博士等人發(fā)展了微流光學諧振腔傳感技術(shù)，測量了聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPA）相變過程的折射率和溫度信息，揭示了其相變動力學規(guī)律。本項目首次將光學微腔傳感技術(shù)引入到材料相變的復(fù)雜動力學研究中，證明了其作為超靈敏“探針”進行原位快速分析的潛力。

圖源：Light新媒體

研究成果以 Operando monitoring transition dynamics of responsive polymer using optofluidic microcavities 發(fā)表在Light: Science & Applications。

針對復(fù)雜過程的動力學監(jiān)測分析，研究人員利用微流控集成的高品質(zhì)因子回音壁光學微腔（圖1），通過發(fā)展雙模自參考微腔光譜傳感技術(shù)，實現(xiàn)了PNIPA溶液相變過程中體系溫度和材料折射率兩個主要物理量的實時解耦，分析獲得了其相變動力學規(guī)律。

圖1 用于相變動力學監(jiān)測的回音壁微腔傳感原理圖; 插圖：PNIPA在親水態(tài)-疏水態(tài)間轉(zhuǎn)換的材料微觀結(jié)構(gòu)變化與對應(yīng)的微腔諧振光譜變化

其基本原理為：參考模式（光場幾乎全部分布在微腔壁內(nèi)）的光譜響應(yīng)是由溫度變化引起的腔體折射率和尺寸變化導(dǎo)致；而傳感模式（光場部分分布在PNIPA溶液內(nèi)）的波長偏移則由溫度變化與PNIPA相變中的材料固有折射率的變化共同決定。其中，溫度變化引起的傳感模式偏移量可以通過參考模式變化間接獲得，由此實現(xiàn)相變過程中體系溫度和折射率信息的自參考實時解耦。

實驗中，研究人員利用一束紅外激光直接加熱微腔內(nèi)部的PNIPA溶液，當加熱光強達到一定閾值時，PNIPA由親水態(tài)消溶脹轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷畱B(tài)。通過實時監(jiān)測PNIPA在親水態(tài)和疏水態(tài)間循環(huán)轉(zhuǎn)變過程中微腔模式的動態(tài)變化，揭示了溶脹-消溶脹相變循環(huán)中的折射率回滯現(xiàn)象（圖2a），并通過Flory-Rehner理論分析得到體系相變過程的熱耗散。進一步，研究人員通過對溶液熱平衡狀態(tài)測量分析，發(fā)現(xiàn)PNIPA的折射率隨加熱功率的變化呈現(xiàn)玻爾茲曼分布（圖2b），并由此計算得到體系的相變閾值。

圖2 熱敏材料PNIPA相變動力學的實時監(jiān)測（a）和熱平衡狀態(tài)測量（b）

該研究工作將光學微腔傳感技術(shù)引入到熱敏材料相變動力學監(jiān)測研究中，充分發(fā)揮了其快速響應(yīng)、超高靈敏等優(yōu)勢，并且具有微型化的結(jié)構(gòu)以及微流控兼容特性，有望為復(fù)雜相變動力學的分析和研究提供新技術(shù)。

研究中所發(fā)展的自參考微腔多模傳感機制，可以進一步應(yīng)用到其他材料的相變研究，為探索動態(tài)生物化學反應(yīng)的超高靈敏度傳感提供新的思路。

論文信息

Yang, DQ., Chen, Jh., Cao, QT. et al. Operando monitoring transition dynamics of responsive polymer using optofluidic microcavities. Light Sci Appl 10, 128 (2021).

本文第一作者為北京郵電大學楊大全副教授、廈門大學陳錦輝副教授和北京大學曹啟韜博士，通訊作者為北京大學肖云峰教授。

論文地址

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00570-1

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編輯 | 趙陽

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