Uma tecnologia inovadora de detecção óptica, desenvolvida no laboratório de Yang na Escola de Engenharia McKelvey, utiliza ressonância multimodo para aumentar as capacidades de detecção. Ao analisar padrões no espectro de ressonância, a técnica inovadora de código de barras fornece informações detalhadas sobre o entorno do sensor, oferecendo faixa dinâmica e precisão aprimoradas em diversas aplicações de detecção. Crédito:Laboratório Yang A mesma peculiaridade geométrica que permite aos visitantes murmurar mensagens ao redor da cúpula circular da galeria sussurrante da Catedral de São Paulo, em Londres, ou através do arco sussurrante da St. Louis Union Station, também permite a construção de sensores ópticos de alta resolução. Ressonadores de modo galeria sussurrante (WGM) têm sido usados há décadas para detectar assinaturas químicas, cadeias de DNA e até moléculas únicas.
Da mesma forma que a arquitetura de uma galeria sussurrante curva e concentra as ondas sonoras, os microrressonadores WGM confinam e concentram a luz em um pequeno caminho circular. Isso permite que os ressonadores WGM detectem e quantifiquem características físicas e bioquímicas, tornando-os ideais para aplicações de detecção de alta resolução em áreas como diagnóstico biomédico e monitoramento ambiental.
No entanto, o amplo uso de ressonadores WGM tem sido limitado pela sua estreita faixa dinâmica, bem como pela sua resolução e precisão limitadas.
Em um estudo recente publicado na revista IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement , Lan Yang, professor Edwin H. e Florence G. Skinner, e Jie Liao, pesquisador associado de pós-doutorado, ambos no Departamento de Engenharia Elétrica e de Sistemas Preston M. Green da Escola de Engenharia McKelvey da Universidade de Washington em St. , demonstram uma abordagem transformadora para superar essas limitações:códigos de barras ópticos WGM para detecção multimodo.
A técnica inovadora de Liao e Yang permite o monitoramento simultâneo de múltiplos modos ressonantes dentro de um único ressonador WGM, considerando respostas distintas de cada modo, expandindo enormemente a gama de medições alcançáveis.
A detecção WGM usa um comprimento de onda específico de luz que pode circular ao redor do perímetro do microrressonador milhões de vezes. Quando o sensor encontra uma molécula, a frequência de ressonância da luz circulante muda. Os pesquisadores podem então medir essa mudança para detectar e identificar a presença de moléculas específicas.
“A detecção multimodo nos permite captar múltiplas mudanças de ressonância no comprimento de onda, em vez de apenas uma”, explicou Liao. "Com vários modos, podemos expandir a detecção óptica WGM para uma faixa maior de comprimentos de onda, obter maior resolução e precisão e, por fim, detectar mais partículas."
Liao e Yang encontraram o limite teórico da detecção WGM e o usaram para estimar as capacidades de detecção de um sistema multimodo. Eles compararam o modo único convencional com a detecção multimodo e determinaram que, embora a detecção de modo único seja limitada a um alcance muito estreito - cerca de 20 picômetros (pm), limitado pelo hardware do laser - o alcance para detecção multimodo é potencialmente ilimitado usando a mesma configuração.
“Mais ressonância significa mais informação”, disse Liao. "Derivamos um alcance teoricamente infinito, embora estejamos praticamente limitados pelo aparelho de detecção. Neste estudo, o limite experimental que encontramos foi cerca de 350 vezes maior com o novo método do que com o método convencional para detecção de WGM."
As aplicações comerciais de detecção WGM multimodo podem incluir usos biomédicos, químicos e ambientais, disse Yang. Em aplicações biomédicas, por exemplo, os investigadores poderiam detectar alterações subtis nas interacções moleculares com uma sensibilidade sem precedentes para melhorar o diagnóstico de doenças e a descoberta de medicamentos.
Na monitorização ambiental, com a capacidade de detectar alterações mínimas nos parâmetros ambientais, como temperatura e pressão, a detecção multimodo poderia permitir sistemas de alerta precoce para desastres naturais ou facilitar a monitorização dos níveis de poluição no ar e na água.
Essa nova tecnologia também permite o monitoramento contínuo das reações químicas, conforme demonstrado nos recentes experimentos conduzidos pelo grupo de Yang. Esse recurso é promissor para análise e controle em tempo real de processos químicos, oferecendo aplicações potenciais em áreas como farmacêutica, ciência de materiais e indústria alimentícia.
"A sensibilidade ultra-alta dos ressonadores WGM nos permite detectar partículas e íons únicos, mas o potencial desta poderosa tecnologia não foi totalmente utilizado porque não podemos usar este sensor ultrassensível diretamente para medir um desconhecido completo", acrescentou Liao.
"A detecção multimodo permite olhar para o desconhecido. Ao expandir o nosso alcance dinâmico para observar milhões de partículas, podemos assumir projetos mais ambiciosos e resolver problemas do mundo real."
