Фотонно-кристаллический датчик

В фотонно-кристаллических датчиках используются фотонные кристаллы : наноструктуры, состоящие из периодических расположений диэлектрических материалов , которые взаимодействуют со светом в зависимости от их конкретной структуры, отражая свет определенных длин волн под определенными углами. Любое изменение периодичности или показателя преломления структуры может привести к изменению отраженного цвета или цвета, воспринимаемого наблюдателем или спектрометром . ^{[ 1 ]} Этот простой принцип делает их полезными колориметрическими интуитивными датчиками для различных применений, включая, помимо прочего, анализ окружающей среды, измерение температуры, магнитное зондирование, биосенсорство, диагностику, контроль качества пищевых продуктов, безопасность и механическое зондирование. ^{[ нужна ссылка ]} Многие животные в природе, такие как рыбы или жуки, используют чувствительные фотонные кристаллы для маскировки , подачи сигналов или приманки своей добычи. ^{[ 2 ]} Разнообразие материалов, используемых в таких структурах, начиная от неорганических, органических и плазмонных наночастиц металлов, делает эти структуры легко настраиваемыми и универсальными. В случае неорганических материалов изменение показателя преломления является наиболее часто используемым эффектом при измерении, тогда как изменение периодичности чаще проявляется в датчиках на основе полимеров . Помимо небольшого размера, современные разработки в области производственных технологий сделали их простым и дешевым в производстве в больших масштабах, что делает их массовыми и практичными.

Типы и конструкции

Биосенсоры и интегрированная лаборатория на чипе

Поскольку правильно спроектированные фотонные кристаллы обладают высокой чувствительностью , селективностью, стабильностью и при необходимости могут работать без электричества, они стали тщательно исследованными портативными биологическими датчиками. Развитие анализа, миниатюризации устройств, жидкостного проектирования и интеграции привело к развитию интегрированных фотонно-кристаллических датчиков в так называемых «лабораторных устройствах на кристалле» с высокой чувствительностью, низким пределом обнаружения , более быстрым временем отклика и низкой стоимостью. ^{[ 3 ]} Большой спектр аналитов, представляющих биологический интерес, таких как белки , ДНК , ^{[ 4 ]} раковые клетки, ^{[ 5 ]} глюкоза ^{[ 6 ]} и антитела могут быть обнаружены с помощью датчиков такого типа, что обеспечивает быстрые, дешевые и точные инструменты диагностики и мониторинга здоровья, которые могут обнаруживать концентрации всего в 15 нМ. ^{[ нужна ссылка ]} Определенные химические или биологические молекулы-мишени могут быть интегрированы в структуру для обеспечения специфичности. ^{[ 7 ]}

Химические датчики

Поскольку химические аналиты имеют свои собственные показатели преломления, они могут заполнять пористые фотонные структуры, изменяя их эффективный показатель и, следовательно, их цвет, подобно отпечаткам пальцев. С другой стороны, они могут изменять объем структур на основе полимеров , что приводит к изменению периодичности, что приводит к аналогичному конечному эффекту. В ионсодержащих избирательное набухание гидрогелях обусловливает их специфичность. Были изучены возможности применения в газообразной и водной среде для обнаружения концентраций химических веществ, растворителей, паров, ^{[ 8 ]} ионы, ^{[ 9 ]} рН ^{[ 10 ]} и влажность. Специфичность и чувствительность можно контролировать путем соответствующего выбора материалов и их взаимодействия с аналитами, что позволяет создавать даже датчики без маркировки. ^{[ 11 ]} Концентрацию химических веществ в паровой или жидкой фазах, а также в более сложных смесях можно определить с высокой степенью достоверности. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]}

Механические датчики

Различные механические сигналы, такие как давление , деформация, кручение и изгиб, могут быть обнаружены с помощью фотонно-кристаллических датчиков. Обычно они основаны на вызванном деформацией изменении постоянных решетки в гибких материалах, таких как эластомерные композиты или коллоидные кристаллы , вызывая механохромный эффект при их растяжении или сжатии. ^{[ 14 ]}

3D фотонные кристаллы

Синтетические опалы представляют собой трехмерные фотонные кристаллы, обычно состоящие из самоорганизующихся наносфер диаметром порядка сотен нанометров, где материалом с высоким показателем преломления является материал сфер, а материалом с низким показателем - воздух или другой наполнитель. С другой стороны, обратные опалы представляют собой структуры, в которых межузельное пространство между сферами заполнено другим материалом, и сферы, следовательно, удаляются, обеспечивая больший свободный объем для более быстрой диффузии химических веществ. ^{[ 15 ]}

Фотонно-кристаллические волокна

Фотонно-кристаллические волокна представляют собой особый тип оптических волокон, которые содержат воздушные отверстия, распределенные определенным образом вокруг сплошной или полой сердцевины. Благодаря своей высокой чувствительности, гибкости и небольшому диаметру их можно использовать в различных ситуациях, требующих высокой надежности и портативности. По сравнению с традиционными оптическими волокнами они обладают высокой двулучепреломляемостью, регулируемой дисперсией, ограниченными потерями и бесконечным одномодовым распространением в большом диапазоне длин волн, а также имеют очень быстрый отклик. ^{[ 16 ]}

2D решетки и плиты

Одномерные плиты с двумерным порядком, возникающие за счет избирательного удаления материала и создания узора из отверстий или канавок в однородном материале, являются популярной фотонно-кристаллической структурой, используемой в зондировании. ^{[ 17 ]}

Зеркала Фабри-Перо

Зеркала Фабри-Перо представляют собой плоский фотонный кристалл, периодичность которого сохраняется только в z-измерении. ^{[ 18 ]} напыленные пористые неорганические сенсоры, полимерные сенсоры с центрифугированием и самоорганизующиеся блок- сополимеры — вот лишь некоторые из широко используемых плоских одномерных структур. ^{[ 19 ]}^{[ 20 ]}

Ссылки

^ Паола Лова; Джованни Манфреди; Давиде Коморетто (2018). «Достижения в области плоских одномерных фотонных кристаллов, обработанных функциональными решениями» . Передовые оптические материалы . 6 (24): 1800730. doi : 10.1002/adom.201800730 . hdl : 11567/928329 . S2CID 105380075 .
^ Ван, Хуэй; Чжан, Кэ-Цинь (28 марта 2013 г.). «Фотонно-кристаллические структуры с настраиваемым цветом структуры как колориметрические датчики» . Датчики . 13 (4): 4192–4213. дои : 10.3390/s130404192 . ПМЦ 3673079 . ПМИД 23539027 .
^ Эмильянов Григорий; Хойби, Пол; Педерсен, Ларс; Банг, Оле (08 марта 2013 г.). «Селективное последовательное биосенсорство нескольких антител с помощью микроструктурированных полимерных оптических волокон TOPAS» . Датчики . 13 (3): 3242–3251. дои : 10.3390/s130303242 . ПМЦ 3658743 . ПМИД 23529122 .
^ Фрасселла, Франческа; Риккарди, Серена; Риволо, Паола; Мой, Валерия; Гиоргис, Фабрицио; Дескрови, Эмилиано; Микелотти, Франческо; Мюнцерт, Питер; Данц, Норберт; Напионе, Люсия; Альваро, Мария (05 февраля 2013 г.). «Флуоресцентный одномерный фотонный кристалл для биосенсорства без меток на основе поверхностных волн Блоха» . Датчики . 13 (2): 2011–2022. дои : 10.3390/s130202011 . ПМЦ 3649429 . ПМИД 23385414 .
^ Чжан, Я-нань; Чжао, Юн; Чжоу, Тяньминь; Ву, Цилу (2018). «Применение и разработка встроенных биохимических сенсоров на основе оптофлюидных фотонно-кристаллических резонаторов». Лаборатория на чипе . 18 (1): 57–74. дои : 10.1039/c7lc00641a . ПМИД 29125166 .
^ Накаяма, Дайсуке; Такеока, Юкиказу; Ватанабэ, Масаёши; Катаока, Казунори (15 сентября 2003 г.). «Простое и точное приготовление пористого геля для колориметрического датчика глюкозы с помощью шаблонного метода». Ангеванде Хеми . 115 (35): 4329–4332. дои : 10.1002/ange.200351746 .
^ Каннингем, Брайан Т.; Чжан, Мэн; Чжо, Юэ; Квон, Лидия; Гонка, Кейтлин (май 2016 г.). «Последние достижения в области биосенсорства с помощью фотонно-кристаллических поверхностей: обзор» . Журнал датчиков IEEE . 16 (10): 3349–3366. Бибкод : 2016ISenJ..16.3349C . дои : 10.1109/JSEN.2015.2429738 . ПМК 5021450 . ПМИД 27642265 .
^ Лова, Паола; Манфреди, Джованни; Бастианини, Кьяра; Меннуччи, Карло; Буатье де Монжо, Фрэнсис; Сервида, Альберто; Коморетто, Давиде (08 мая 2019 г.). «Фотонные датчики Флори-Хаггинса для оптической оценки коэффициентов молекулярной диффузии в полимерах». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 11 (18): 16872–16880. дои : 10.1021/acsami.9b03946 . hdl : 11567/944562 . ПМИД 30990014 . S2CID 116863542 .
^ Додеро, Андреа; Лова, Паола; Вичини, Сильвия; Кастеллано, Майла; Коморетто, Давиде (04.06.2020). «Сшиваемые плоские одномерные фотонные кристаллы альгината натрия как многообещающий инструмент для обнаружения Pb2+ в воде» . Хемосенсоры . 8 (2): 37. doi : 10.3390/chemosensors8020037 .
^ Ли, Кангтак; Ашер, Сэнфорд А. (октябрь 2000 г.). «Фотонно-кристаллические химические датчики: pH и ионная сила». Журнал Американского химического общества . 122 (39): 9534–9537. дои : 10.1021/ja002017n .
^ Мегад, Хеба; Олдани, Клаудио; Радиче, Стефано; Ланфранчи, Андреа; Патрини, Маддалена; Лова, Паола; Коморетто, Давиде (2021). «Целостные фотонные датчики пара Аквивион-поли(N-винилкарбазол) Флори-Хаггинса». Передовые оптические материалы . 9 (5): 2002006. doi : 10.1002/adom.202002006 . S2CID 234179225 .
^ Лова, Паола; Манфреди, Джованни; Боарино, Лука; Комите, Антонио; Лаус, Мишель; Патрини, Маддалена; Марабелли, Франко; Партнеры, Чезаре; Коморетто, Давиде (15 апреля 2015 г.). «Полимерные распределенные брэгговские отражатели для измерения паров». АСУ Фотоника . 2 (4): 537–543. дои : 10.1021/ph500461w . hdl : 11696/32604 .
^ Берджесс, Ян Б.; Мищенко, Лидия; Хаттон, Бенджамин Д.; Колле, Матиас; Лончар, Марко; Айзенберг, Джоанна (17 августа 2011 г.). «Кодирование сложных закономерностей смачиваемости в химически функционализированных трехмерных фотонных кристаллах». Журнал Американского химического общества . 133 (32): 12430–12432. дои : 10.1021/ja2053013 . ПМИД 21766862 .
^ Чжан, Руй; Ван, Цин; Чжэн, Сюй (29 марта 2018 г.). «Гибкие механохромные фотонные кристаллы: пути к визуальным сенсорам и их механические свойства». Журнал химии материалов C. 6 (13): 3182–3199. дои : 10.1039/C8TC00202A .
^ Шин, Джинсуб; Браун, Пол В.; Ли, Вонмок (сентябрь 2010 г.). «Быстродействующий фотонно-кристаллический датчик pH на основе шаблонного фотополимеризованного гидрогеля инверсного опала». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 150 (1): 183–190. дои : 10.1016/j.snb.2010.07.018 .
^ Де, Мутуси; Гангопадьяй, Тарун Кумар; Сингх, Винод Кумар (23 января 2019 г.). «Перспективы фотонно-кристаллического волокна в качестве физического датчика: обзор» . Датчики . 19 (3): 464. дои : 10.3390/s19030464 . ПМК 6387015 . ПМИД 30678109 .
^ Томленович-Ханич, Снежана; де Стерке, К. (08 марта 2013 г.). «Реконфигурируемые, бездефектные, фотонно-кристаллические микрорезонаторы со сверхвысокой добротностью для зондирования» . Датчики . 13 (3): 3262–3269. дои : 10.3390/s130303262 . ПМЦ 3658745 . ПМИД 23529124 . S2CID 1785564 .
^ Лова, Паола; Манфреди, Джованни; Коморетто, Давиде (2018). «Достижения в области плоских одномерных фотонных кристаллов, обработанных функциональными решениями» . Передовые оптические материалы . 6 (24): 1800730. doi : 10.1002/adom.201800730 . hdl : 11567/928329 .
^ Лова, Паола; Мегад, Хеба; Коморетто, Давиде (14 февраля 2020 г.). «Тонкие полимерные пленки: простое оптическое определение коэффициентов молекулярной диффузии». Прикладные полимерные материалы ACS . 2 (2): 563–568. дои : 10.1021/acsapm.9b00964 . hdl : 11567/988752 . S2CID 213899672 .
^ Редди, Картик; Го, Юнбо; Лю, Цзин; Ли, Вонсук; Каинг Оо, Маунг Чжо; Фань, Сюдун (ноябрь 2011 г.). «Встроенные интерферометрические датчики Фабри – Перо для обнаружения методом микрогазовой хроматографии». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 159 (1): 60–65. дои : 10.1016/j.snb.2011.06.041 .

[1] Паола Лова; Джованни Манфреди; Давиде Коморетто (2018). «Достижения в области плоских одномерных фотонных кристаллов, обработанных функциональными решениями» . Передовые оптические материалы . 6 (24): 1800730. doi : 10.1002/adom.201800730 . hdl : 11567/928329 . S2CID 105380075 .

[2] Ван, Хуэй; Чжан, Кэ-Цинь (28 марта 2013 г.). «Фотонно-кристаллические структуры с настраиваемым цветом структуры как колориметрические датчики» . Датчики . 13 (4): 4192–4213. дои : 10.3390/s130404192 . ПМЦ 3673079 . ПМИД 23539027 .

[3] Эмильянов Григорий; Хойби, Пол; Педерсен, Ларс; Банг, Оле (08 марта 2013 г.). «Селективное последовательное биосенсорство нескольких антител с помощью микроструктурированных полимерных оптических волокон TOPAS» . Датчики . 13 (3): 3242–3251. дои : 10.3390/s130303242 . ПМЦ 3658743 . ПМИД 23529122 .

[4] Фрасселла, Франческа; Риккарди, Серена; Риволо, Паола; Мой, Валерия; Гиоргис, Фабрицио; Дескрови, Эмилиано; Микелотти, Франческо; Мюнцерт, Питер; Данц, Норберт; Напионе, Люсия; Альваро, Мария (05 февраля 2013 г.). «Флуоресцентный одномерный фотонный кристалл для биосенсорства без меток на основе поверхностных волн Блоха» . Датчики . 13 (2): 2011–2022. дои : 10.3390/s130202011 . ПМЦ 3649429 . ПМИД 23385414 .

[5] Чжан, Я-нань; Чжао, Юн; Чжоу, Тяньминь; Ву, Цилу (2018). «Применение и разработка встроенных биохимических сенсоров на основе оптофлюидных фотонно-кристаллических резонаторов». Лаборатория на чипе . 18 (1): 57–74. дои : 10.1039/c7lc00641a . ПМИД 29125166 .

[6] Накаяма, Дайсуке; Такеока, Юкиказу; Ватанабэ, Масаёши; Катаока, Казунори (15 сентября 2003 г.). «Простое и точное приготовление пористого геля для колориметрического датчика глюкозы с помощью шаблонного метода». Ангеванде Хеми . 115 (35): 4329–4332. дои : 10.1002/ange.200351746 .

[7] Каннингем, Брайан Т.; Чжан, Мэн; Чжо, Юэ; Квон, Лидия; Гонка, Кейтлин (май 2016 г.). «Последние достижения в области биосенсорства с помощью фотонно-кристаллических поверхностей: обзор» . Журнал датчиков IEEE . 16 (10): 3349–3366. Бибкод : 2016ISenJ..16.3349C . дои : 10.1109/JSEN.2015.2429738 . ПМК 5021450 . ПМИД 27642265 .

[8] Лова, Паола; Манфреди, Джованни; Бастианини, Кьяра; Меннуччи, Карло; Буатье де Монжо, Фрэнсис; Сервида, Альберто; Коморетто, Давиде (08 мая 2019 г.). «Фотонные датчики Флори-Хаггинса для оптической оценки коэффициентов молекулярной диффузии в полимерах». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 11 (18): 16872–16880. дои : 10.1021/acsami.9b03946 . hdl : 11567/944562 . ПМИД 30990014 . S2CID 116863542 .

[9] Додеро, Андреа; Лова, Паола; Вичини, Сильвия; Кастеллано, Майла; Коморетто, Давиде (04.06.2020). «Сшиваемые плоские одномерные фотонные кристаллы альгината натрия как многообещающий инструмент для обнаружения Pb2+ в воде» . Хемосенсоры . 8 (2): 37. doi : 10.3390/chemosensors8020037 .

[10] Ли, Кангтак; Ашер, Сэнфорд А. (октябрь 2000 г.). «Фотонно-кристаллические химические датчики: pH и ионная сила». Журнал Американского химического общества . 122 (39): 9534–9537. дои : 10.1021/ja002017n .

[11] Мегад, Хеба; Олдани, Клаудио; Радиче, Стефано; Ланфранчи, Андреа; Патрини, Маддалена; Лова, Паола; Коморетто, Давиде (2021). «Целостные фотонные датчики пара Аквивион-поли(N-винилкарбазол) Флори-Хаггинса». Передовые оптические материалы . 9 (5): 2002006. doi : 10.1002/adom.202002006 . S2CID 234179225 .

[12] Лова, Паола; Манфреди, Джованни; Боарино, Лука; Комите, Антонио; Лаус, Мишель; Патрини, Маддалена; Марабелли, Франко; Партнеры, Чезаре; Коморетто, Давиде (15 апреля 2015 г.). «Полимерные распределенные брэгговские отражатели для измерения паров». АСУ Фотоника . 2 (4): 537–543. дои : 10.1021/ph500461w . hdl : 11696/32604 .

[13] Берджесс, Ян Б.; Мищенко, Лидия; Хаттон, Бенджамин Д.; Колле, Матиас; Лончар, Марко; Айзенберг, Джоанна (17 августа 2011 г.). «Кодирование сложных закономерностей смачиваемости в химически функционализированных трехмерных фотонных кристаллах». Журнал Американского химического общества . 133 (32): 12430–12432. дои : 10.1021/ja2053013 . ПМИД 21766862 .

[14] Чжан, Руй; Ван, Цин; Чжэн, Сюй (29 марта 2018 г.). «Гибкие механохромные фотонные кристаллы: пути к визуальным сенсорам и их механические свойства». Журнал химии материалов C. 6 (13): 3182–3199. дои : 10.1039/C8TC00202A .

[15] Шин, Джинсуб; Браун, Пол В.; Ли, Вонмок (сентябрь 2010 г.). «Быстродействующий фотонно-кристаллический датчик pH на основе шаблонного фотополимеризованного гидрогеля инверсного опала». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 150 (1): 183–190. дои : 10.1016/j.snb.2010.07.018 .

[16] Де, Мутуси; Гангопадьяй, Тарун Кумар; Сингх, Винод Кумар (23 января 2019 г.). «Перспективы фотонно-кристаллического волокна в качестве физического датчика: обзор» . Датчики . 19 (3): 464. дои : 10.3390/s19030464 . ПМК 6387015 . ПМИД 30678109 .

[17] Томленович-Ханич, Снежана; де Стерке, К. (08 марта 2013 г.). «Реконфигурируемые, бездефектные, фотонно-кристаллические микрорезонаторы со сверхвысокой добротностью для зондирования» . Датчики . 13 (3): 3262–3269. дои : 10.3390/s130303262 . ПМЦ 3658745 . ПМИД 23529124 . S2CID 1785564 .

[18] Лова, Паола; Манфреди, Джованни; Коморетто, Давиде (2018). «Достижения в области плоских одномерных фотонных кристаллов, обработанных функциональными решениями» . Передовые оптические материалы . 6 (24): 1800730. doi : 10.1002/adom.201800730 . hdl : 11567/928329 .

[19] Лова, Паола; Мегад, Хеба; Коморетто, Давиде (14 февраля 2020 г.). «Тонкие полимерные пленки: простое оптическое определение коэффициентов молекулярной диффузии». Прикладные полимерные материалы ACS . 2 (2): 563–568. дои : 10.1021/acsapm.9b00964 . hdl : 11567/988752 . S2CID 213899672 .

[20] Редди, Картик; Го, Юнбо; Лю, Цзин; Ли, Вонсук; Каинг Оо, Маунг Чжо; Фань, Сюдун (ноябрь 2011 г.). «Встроенные интерферометрические датчики Фабри – Перо для обнаружения методом микрогазовой хроматографии». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 159 (1): 60–65. дои : 10.1016/j.snb.2011.06.041 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]