Федеральный исследовательский центр  «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»

Ученые рассчитали, что для повышения эффективности и чувствительности диэлектрических сенсорных устройств до максимальных значений, необходимо изменить структуру чувствительного элемента детектора. В будущем такие сенсоры могут применяться в медицине для обнаружения малых концентраций белков и лекарств. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical review A .

Оптические сенсоры, основанные на взаимодействии света и вещества на наноуровне, могут оказаться перспективными для медицинских приложений, например, для определения предельно малых концентраций белков, метаболитов и лекарственных препаратов. Одним из основных недостатков существующих прототипов таких сенсоров является недостаточная чувствительность.

Ученые ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН», СФУ и ИТМО предложили способ повышения чувствительности диэлектрического сенсора показателя преломления до максимальных значений. Для этого исследователи предложили изменить структуру чувствительного элемента сенсора, представляющего собой наноструктурированную дифракционную решетку.

Диэлектрический сенсор работает на основе изменения оптических свойств чувствительного элемента и оценивает диэлектрическую проницаемость среды. Представим, что у нас есть жидкость, в которой находится детектируемое вещество. Жидкость протекает через сенсор и, когда находящееся в ней вещество попадает на чувствительный элемент детектора, она изменяет его оптические свойства. Наличие в жидкости того или иного вещества обнаруживаются по смещению спектральных линий.

Ученые провели расчеты и предложили метод оптимизации конструкции сенсора для получения максимальных значений чувствительности диэлектрического датчика. Для высокой чувствительности сенсора необходимо, чтобы детектируемой вещество хорошо попадало в рабочую область сенсора. Если этого не произойдет, то оптические свойства системы не будут изменяться. В качестве чувствительного элемента сенсора используется диэлектрическая дифракционная решетка. При попадании на нее жидкости с веществом, происходит изменение показателя преломления, спектральных характеристик и, следственно, оптического сигнала сенсора.

Исследователи предложили изменить геометрию дифракционной решетки для наилучшего перекрытия электромагнитного поля оптического резонанса с исследуемой жидкостью и продемонстрировали достижение верхнего теоретического предела чувствительности. Исследователи показали, что максимальная чувствительность может быть достигнута независимо от диэлектрика, из которого состоит система.

«Оптические диэлектрические сенсоры — это достаточно новая технология. Мы рассмотрели чувствительность сенсора и предложили путь для достижения максимальной эффективности. Если мы меняем параметр нашей системы, а именно геометрию дифракционной решетки, то добиваемся того, что оптическое поле лучше проходит через искомое вещество. Чем глубже оно туда проникает, тем сенсор становится более чувствительным к изменению оптических свойств. Наиболее примечательной особенностью является то, что максимальная чувствительность может быть достигнута независимо от материала решетки. Эта особенность дает свободу выбора диэлектрика, используемого в изготовлении сенсора. Все, что необходимо для достижения максимальной чувствительности — изменить геометрические параметры решетки, такие как глубина и период. Важной особенностью также является то, что датчики можно настроить на любую желаемую длину волны», — рассказал Дмитрий Максимов , кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН.

Исследование поддержано Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (проект № ФСРЗ-2020-0008), Российским фондом фундаментальных исследований, Российским научным фондом (21-72-30018), Правительством Красноярского края и Красноярским краевым фондом науки (грант № 20-42-240003).