Znanstvenici s NIST-a izradili su superosjetljivi detektor za koji se očekuje da će moći prepoznati pojedinačnu molekulu (npr. nekog eksploziva), bakteriju ili virus i do 100 puta većom osjetljivošću od dosad poznatih detektora. Metoda se temelji na postavljanju uzorka na ultraglatku površinu silicijske kocke koja ispunjena laserskim svjetlom predstavlja optički rezonator (OR). U biocavity laseru, razvijenom u Sandia laboratoriju, uzorak (npr. kancerogeno tkivo) ubacuje se pak u optički rezonator samog poluvodičkog lasera. U oba slučaja uzorci znatno utječu na svjetlosnu propusnost OR-a, što omogućava izuzetnu osjetljivost uređaja.

Vijest o tome donosi Phys. Rev. Focus opisujući rad Andrewa Pipina (Phys. Rev. Lett. 83, 3093, 11 listopad 1999.), bivšeg postdoktoranda u grupi dr. Jeffereya Hudgensa, koji već posjeduje patent na detektor. Pipinov uređaj temelji se na široko poznatim fizikalnim pojmovima (totalna relfeksija), čiji principi uz moderne tehnologije obrade materijala (optičkih površina) polučuju izvrsne rezultate.

Kako radi uređaj? Pripremljena je silicijeva kocka (optički materijal ultravisoke svjetlosne propusnosti), veličine 7.5 mm x 7.5 mm x 5 mm, s jednom konveksnom plohom koja služi za formiranje stabilnog optičkog rezonatora (vidi sliku - PZT označava piezo element pomoću kojeg se prizme mogu izuzetno fino približavati kockici; PMT je fotomultiplikator, brzi pretvarač svjetlosti u električni signal). Svjetlost, uz pomoć dviju prizmi, ulazi i izlazi iz kocke pod kutem totalne refleksije pri čemu dolazi do tuneliranja fotona u kocku. Na mjestu dodira laserskog snopa s površinom dolazi do formiranja takozvanog brzo trnućeg vala (engl. evanescent wave) koji prodire u medij. Izuzetno kvalitetan materijal uz superuglađene plohe (finoće 0.05 nm) omogućuje da se lasersko svjetlo doslovce 100% reflektira unutar kockice pri čemu jedan ubačeni puls svjetlosti kruži do 100000 puta prije nego sva njegova energija napusti kocku. Na izlaznoj prizmi nalazi se brzi detektor svjetlosti čiji se električni signal čita pomoću digitalnog osciloskopa. Osciloskop bilježi eksponencijalnu krivulju iz koje se može izračunati vrijeme zadržavanja fotona u kocki. Vrijeme zadržavanja fotona u kocki (stotine nanosekundi) izuzetno je osjetljivo na prisustvo apsorbirajućeg medija koji se može nalaziti na nasuprotnim plohama. Npr. očekuje se da bi već jedna bakterija na plohi mogla dovoljno smanjiti vrijeme zadržavanja fotona, da se to može precizno izmjeriti. Kako svaka molekula ili bakterija različito apsorbiraju različite boje svjetlosti, promjenom boje laserskog pulsa dobija se podatak o količini i vrsti tvari, uz naravno neizbježnu računalsku analizu.

Razvoju Pipinovog uređaja, koji se može primjeniti na detekciju krutih tvari ili tekućina, prethodio je razvoj vrlo osjetljive metode za detekciju malih količina molekula u plinovima: laserske apsorpcijske spektroskopije pomoću optičkog rezonatora (LASPOR) (engl. Cavity Ring-Down Spectroscopy- CRDS). Kod te metode laserski puls ubacuje se u optički rezonator s visokorelfektirajućim zrcalima (dva, savršeno paralelna, zakrivljena zrcala čije reflektirajuće plohe gledaju jedna drugu). Jedan puls svjetlosti (trajanja npr. desetak nanosekundi) odskače naprijed nazad unutar rezonatora mnogo puta (više stotina ili tisuća puta). Mjereći pomoću fotomultiplikatora ili fotodiode intenzitet svjetlosti na izlazu iz rezonatora u vremenu, dakle vrijeme zadržavanja fotona u rezonatoru (koje dosiže i stotinjak mikrosekundi), uz promjenu boje (valne duljine) laserske svjetlosti moguće je, kao u prethodnom slučaju, ustanoviti prisustvo različitih vrsta molekula u nekom plinu ili pari unutar rezonatora. Molekula će apsorbirati fotone određene valne duljine i time smanjiti vrijeme zadržavanja fotona u odnosu na slučaj kad je optički rezonator prazan. To je posebno prikladna metoda za određivanje molekula koje su prisutne tek u tragovima. Laseri danas mogu biti mali (diodni laseri - vidi projekt e-škole Laseri i komunikacije), par milimetara u promjeru, zrcala se mogu napraviti sa 99.9999 posto refleksivnošću, (što znači da im udaljenost može biti centimetar-dva a da zadržavanje fotona bude više desetaka mikrosekundi; dulje zadržavanje fotona znači veću osjetljivost metode). Zato se u svijetu već razvijaju uređaji za npr. detektiranje onečišćenja u atmosferi, koji će se lako moći nositi u ruci. Scenaristi "Zvjezdanih staza" već su davno opremili svoje junake takvim uređajčićima. Znanstvenicima treba nešto više vremena da to pretoče u stvarnost.

Nije prečesto slučaj da se neka eksperimentalna metoda, o kojoj se piše po internetu i raznim popularnim časopisima, radi i kod nas. Doduše naš laser je još velik (3x1x0.5 m) a i optički rezonator je duljine metar-dva, ali i to ima svoje prednosti. (ovdje)

Kad Pipinov detektor bude do kraja razrađen možda će biti jedan iz kategorije biosenzora - uređaja za detekciju bioloških objekata i tvari čijem razvoju se u svijetu poklanja velika pažnja. Jedan od takvih uređaja, biocavity laser, koji također koristi optički rezonator i lasersko svjetlo, razvili su stručnjaci iz Sandia laboratorija (ovdje). Oni su standardni poluvodički laser preuredili napravivši mali kanal između p-n i reflektirajućih slojeva. U kanal se može ubrizgati tekućina (npr. krv). Na taj način se unutar samog optičkog rezonatora nalazi i izvor svjetlosti i uzorak. Prisustvo stanica različitih oblika na sebi svojstven način raspršuje svjetlost. Time se utječe na stvaranje samog laserskog efekta i dramatično mijenja izlazno svjetlo takvog poluvodičkog (diodnog) lasera. Upotreba, također poluvodičkih, optičkih senzora i brzih računala omogućava trenutačnu identifikaciju vrste stanica. Kako je takav uređaj vrlo malen, moguće ga je smjestiti na vrh kirurškog noža, odakle kirurgu koji operira neki tumor, može u trenutku "reći" kad se prelazi s bolesnog na zdravo tkivo, što je pak izuzetno važno za uspješnost operacije. Očekuje se pojava komercijalnih uređaja već unutar godine dana.

Evo još dvaju primjera koji govore o važnosti optičkih rezonatora. Najveći optički rezonator na svijetu (2 km duljine sa zrcalima od po 11 kg) koristi se za detekciju gravitacijskih valova u grandioznom LIGO projektu: ovdje a najmanji optički rezonator (duljine svega par mikrometara) za detekciju pojedinačnih atoma u ogranku atomske, molekularne i optičke fizike koji se naziva kvantna elektrodinamika u rezonatoru (engl. cavity quantum electrodynamics) ovdje o čemu više u slijedećem prilogu.

Za kraj, odnosno za početak, poigrajte se sa svojstvima optičkih rezonatora pomoću java apleta ovdje. Možete gledati kako zadržavanje fotona ovisi o refleksivnosti zrcala , kako se postiže stabilnost rezonatora, ili vidjeti što su to longitudinalni modovi i kako oni ovise o refleksivnosti i udaljenosti između zrcala. Pogledajte također što su to transverzalni modovi ovdje.

New Scientist: Supersniffer
Phys. Rev. Focus: A Super-Sensitive Detector ili ovdje
Njuškač bombi: Science and Technology News: Bomb Sniffer
Još o CRDS-u (ili CRLAS-u): ovdje
Kaos u optičkom rezonatoru: ovdje
Povezana tematika - biosenzori: ovdje.

Pripremio: Dr. Slobodan Milošević, Institut za fiziku, Zagreb, lipanj 2000.