根據瑞典公司Insplorion與創新諮詢機構RISE Acreo的研究發現,透過局部表面電漿共振(LSPR)技術,可望在電池監測、生物感測等應用中大量生產低成本的奈米感測器。

研究人員們的初探性研究——「為電池應用實現小型化奈米感測器系統」(Miniaturization of a nanosensor system for batteries),驗證了打造低成本光纖感測器系統的可能性,可望滿足電池監測以及體內診斷和製程產業等其他應用的需求。研究人員採用Insplorions的奈米等離子感測(NPS)技術進行這項研究。NPS的技術基礎就在於利用了所謂「局部表面電漿共振」(LSPR)的物理現象。

這項研究的目的是探索設計基於NPS的光纖感測器系統,並以低成本實現大規模生產的可能性。

Patrik_Dahlqvist
Patrik_Dahlqvist

Insplorion執行長Patrik Dahlqvist表示:「該研究計劃的重要結論是證實我們能夠用大量元件實現具競爭力的製造價格,以及瞭解它如何以大量製造擴大規模。我們可以為適合利基型應用的首批電池打造低廉的感測器系統。然而,這還需要經過一些技術的發展與驗證,才能打造進入廣泛市場的感測器系統。」

LSPR技術是在金屬奈米顆粒中傳導電子的一種連貫性集體空間振盪作用,它能經由近可見光直接激發。共振條件(即可激發LSPR的光波長/顏色)由奈米顆粒的電子特性、其尺寸、形狀和溫度以及奈米顆粒附近的介電環境等各種組合而限定。

奈米等離子感測利用金屬奈米顆粒(通常是銀或金)作為局部感應元素,提供了獨特的性質組合;包括超高靈敏度、小樣本量/體積(取決於感測器的奈米顆粒尺寸,通常約在50-100nm尺寸範圍內),以及實現快速、即時(毫秒時間解析度)遠端讀取的能力。

20180412_Insplorion_NT02P1 NPS晶片的奈米架構(來源:Insplorion)

在Insplorion申請專利中的NPS晶片架構中,感測是透過在透明基底上非互動的相同金屬奈米圓盤之奈米製造陣列實現的。然後用其上沈積的樣品材料(如奈米顆粒薄膜)的介電間隔層薄膜(僅幾十奈米)覆蓋該金屬圓盤陣列(感測器)。感測器奈米顆粒接著被嵌入於感測器,除了經由LSPR偶極場外,在實體上並不與所研究的奈米材料相互作用。後者滲透穿過間隔層,並在其表面及其表面附近存在相當大的強度,因此能感測該位置的電介質變化。

研究公司Future Market Insights表示,全球表面等離子共振市場預計將在2017-2027年間以6.3%的複合年成長率(CAGR)成長,並將在2027年達到近13億美元的營收。為了實現更高的產量與性能,來自醫院、診所、門診手術中心、護理中心和參考實驗室等終端用戶對於高階、表面等離子共振的需求持續增加,將為長期使用表面等離子共振技術帶來機會,並推動進一步的成長。

成像系統將是其中最大的細分市場之一,別是隨著越來越多的免標籤檢測技術取代標籤檢測技術的趨勢進展。其他也預計會有顯著成長的細分市場是生物感測器。

最近的一項應用強調來自中國蘇州大學(Soochow University)的研究,該研究將LSPR技術用於智慧窗戶,使其得以因應環境情況調整特性,而無需任何人工干預。這項研究基於熱致變色材料的適應性行為,可因應溫度變化而改變顏色。原型智慧窗戶利用LSPR將來自環境太陽光的光子轉換為局部熱能。這觸發熱致變色窗戶從透明切換到不透明,以阻擋進一步射入的陽光。