通過機器學(xué)習(xí)將光學(xué)傳感器靈敏度提高到單分子水平

納米結(jié)構(gòu)的幾何形狀只要滿足特定條件，并匹配入射光的波長，就能夠大幅提高光學(xué)傳感器的靈敏度。這是因為局部納米結(jié)構(gòu)可以極大地放大或減少光的電磁場。據(jù)麥姆斯咨詢報道，由Christiane Becker教授領(lǐng)導(dǎo)的HZB（德國亥姆霍茲國家研究中心聯(lián)合會）青年研究組“Nano-SIPPE”正致力于開發(fā)這類納米結(jié)構(gòu)。計算機模擬是進行這類研究的一種重要工具。來自Nano-SIPPE團隊的Carlo Barth博士現(xiàn)在已經(jīng)使用機器學(xué)習(xí)確定了納米結(jié)構(gòu)中最重要的場分布模式，并因此首次很好地解釋了實驗結(jié)果。

納米結(jié)構(gòu)上的量子點

該團隊研究的光子納米結(jié)構(gòu)由具有規(guī)則孔狀圖案的硅層組成，其上覆有由硫化物制成的量子點涂層。激光激發(fā)后，接近局部場放大的量子點，比在無序表面上發(fā)出了更多的光。這能夠在經(jīng)驗上證明激光如何與納米結(jié)構(gòu)相互作用。

計算機模擬顯示了在激光激發(fā)后，電磁場如何在具有孔狀圖案的硅層中分布。如上圖所示，形成了具有局部場最大值的條紋，因而量子點能夠特別強烈地發(fā)光。

利用機器學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)了十種不同的模式

為了系統(tǒng)地記錄當(dāng)納米結(jié)構(gòu)的各個參數(shù)發(fā)生變化時會發(fā)生什么，Barth利用在柏林Zuse研究所開發(fā)的軟件計算了每個參數(shù)集的三維電場分布。然后，Barth基于機器學(xué)習(xí)，通過其他計算機程序分析了這些海量數(shù)據(jù)。

“計算機搜索了大約45000條數(shù)據(jù)記錄，并將它們分成了大約十種不同的模式，”他解釋說。最后，Barth和Becker成功地確定了其中三種基本模式，在這三種基本模式下，光電磁場在納米孔的各個特定區(qū)域被放大了。

展望：探測單個分子，例如：癌癥標(biāo)志物

這使得基于激發(fā)放大的光子晶體膜可以針對幾乎任何應(yīng)用進行優(yōu)化。這是因為根據(jù)不同的應(yīng)用，例如，一些生物分子會優(yōu)先沿著納米孔的邊緣積聚，另一些生物分子則在納米孔之間的平臺區(qū)域積聚。

利用合適的幾何形狀和準(zhǔn)確的光激發(fā)，可以在所需分子的附著位置處，精確地產(chǎn)生最大電場放大。其應(yīng)用廣闊，例如，這能夠使癌癥標(biāo)志物光學(xué)傳感器的靈敏度提高到單個分子水平。