华人科学家制造出接近量子极限的化学传感芯片

光子盒研究院出品

在美国国家科学基金会(NSF)的支持下，由Qiaoqiang Gan领导的纽约州立大学布法罗分校研究团队报告了一种化学传感芯片的进展，该芯片可以使手持设备像酒精测试仪一样快速地检测微量化学物质，包括非法药物和污染等，也可用于食品安全监测、防伪和其他分析微量化学物质的领域，相关成果发表在Advanced Optical Materials。

合作者包括来自中国上海理工大学和沙特阿卜杜拉国王科技大学的研究人员。

论文的主要作者Qiaoqiang Gan说：“在许多领域，特别是在防止药物滥用方面，非常需要便携式和高性价比的化学传感器。”

Qiaoqiang Gan

这项工作建立Gan团队先前研究的基础上，制造一种在金和银纳米粒子边缘捕获光的芯片。

当生物或化学分子落在芯片表面时，一些捕获的光与分子相互作用，并“散射”成新能量的光。这种效应以可识别的模式出现，充当“化学或生物分子的指纹”，可以揭示存在哪些化合物的信息。

这项技术最终可以集成到一个手持设备中，用于检测血液、呼吸、尿液和其他生物样本中的药物，因为所有的化学物质都有独特的光散射特征。它还可以与其他设备结合，识别空气中或水中以及其他表面的化学物质。

这种传感方法被称为表面增强拉曼光谱(SERS)。

Gan团队之前开发的芯片虽然有效，但设计并不统一。因为金和银的间距不均匀，这可能使分散的分子难以识别，特别是当它们出现在芯片的不同位置时。

为了弥补这一不足，研究团队在制造过程中使用了四种不同长度的分子(BZT、4-MBA、BPT和TPT)来控制金纳米粒子和银纳米粒子之间的间距大小。

最新的制造工艺基于两种技术——原子层沉积和自组装单分子膜，而不是更常见和更昂贵的电子束光刻方法。

最终，他们实现了SERS芯片前所未有的一致性，生产成本相对低廉。更重要的是，该芯片的传感能力接近量子极限，这是对传统芯片的挑战。

除了手持式药物检测设备之外，这种芯片还有许多用途，例如，可以用来评估空气和水污染或食品安全。此外，在安全和国防领域、医疗保健领域也有巨大的潜力。

关于Qiaoqiang Gan

2003年毕业于复旦大学，2006年获得中科院半导体研究所硕士学位，2010年获得美国里海大学博士学位。2011年至今任职纽约州立大学布法罗分校工程和应用科学学院电气工程系副教授。

参考：

http://www.buffalo.edu/ubnow/stories/2021/01/chemical-sensing-chip.html

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