Innovativ lysleveringsteknik forbedrer biosensorer

Der er et fortsat behov for praktiske chipbaserede sensorer, der kan bruges på plejepunktet til at opdage kræft og andre sygdomme. En innovativ måde at injicere lys i små siliciummikrodisketter kan hjælpe med at imødekomme dette behov ved at sænke omkostningerne og forbedre ydeevnen for chipbaserede biosensorer. Fremskridtet kan i sidste ende føre til en bærbar og billig optisk sensor til kræftdiagnostik på et tidligt stadium.

Mikrodisker er en type mikroskaleresonator, der bruger den hviskende galleri optiske effekt til at begrænse og forstærke lys, der kommer ind på disken. Ligesom de buede vægge i et hviskende galleri bærer lydbølger, så hvisken tydeligt kan høres på tværs af et rum, den buede indre overflade af en mikrodisk bærer lysbølger hen over disken, forstærke lyset. Dette gør det muligt for mikrodisken at booste et lysbaseret signal, der kommer fra en celle, protein eller virus af interesse, tillader mere følsom påvisning af subtile ændringer forbundet med sygdomme som lupus, fibromyalgi og visse hjerteproblemer.

"Selvom der er hviskende mikroresonatorer i galleritilstand, som allerede kan bruges til at opløse enkelte molekyler, deres anvendelse er begrænset af problemer med enhedens repeterbarhed, stabilitet og bølgelængdeområde, " sagde leder af forskningsteamet Qinghai Song fra Harbin Institute of Technology, Kina. "Vores nye design muliggør fremragende enhedsydelse, der fungerer med en række bølgelængder med lave omkostninger, højere stabilitet og bedre enhedens repeterbarhed. "

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskerne beskriver deres nye ende-brand-injektionskonfiguration, som tilbyder en enkel, omkostningseffektiv og effektiv måde at få lys ind i mikrodiskresonatoren. De viser også, at enheder, der anvender mikrodisker og slut-brand-injektion, kan bruges til at registrere temperaturændringer og tilstedeværelsen af ​​nanopartikler.

Forskernes ultimative mål er at bruge deres nye ende-brand-injektionsteknik til at oprette en bærbar og billig sensor, der kan registrere ændringer i celler, der er tidlige indikatorer for kræft. Imidlertid, de påpeger, at den nye lyskoblingskonfiguration også kan være nyttig til integrerede fotoniske kredsløb til kommunikationsapplikationer og en række forskellige sensorer, f.eks. dem, der bruges til hjemlandssikkerhed eller miljøovervågning.

Brug af tidsomvendelse

De fleste mikrodiske er designet således, at lys indirekte injiceres i mikrodisken ved hjælp af et optisk fænomen, der kaldes evanescent light coupling. Imidlertid, denne metode kræver meget præcis justering mellem bølgelederen og mikrodisken, hvilket øger produktionsomkostningerne og gør enheder modtagelige for stabilitetsproblemer.

Forskernes ende-brand-injektionsteknik bruger en bølgeleder, der er direkte forbundet til kanten af ​​mikrodisken. Selvom lys, der er nøjagtigt vinkelret på diskens side, vil hoppe af grænsefladen, brug af lys, der er vinklet bare lidt mindre end vinkelret, fremkalder et kontraintuitivt fænomen kendt som laser-tid-reversering. Dette skaber en laser, der absorberer lys i stedet for at udsende det, så lyset effektivt kan komme ind i mikrodisken.

"Fordi denne konfiguration ikke kræver dele, der er mindre end 500 nanometer, det kan fremstilles med billige teknikker, "sagde Song.

For at teste deres design, forskerne fremstillede en enhed, der inkluderede en mikrodisk med en radius på 5 mikron forbundet til en bølgeleder. For at måle slut-brand-injektionen, de inkorporerede en Y-splitter, der tillod lys, der passerede gennem splitteren, at blive injiceret ind i mikrodisken og derefter transmitteres ud af mikrodisken langs den samme bølgeleder. Registrering af spektret fra Y-krydset viste, at lys kunne kobles til mikrodisken med en effektivitet så høj som 57 procent.

De viste også, at enheden udviste en høj Q-faktor, et mål for, hvor godt mikrodisken begrænser og forstærker lyset. Ud over, enheden opretholdt gode præstationsparametre selv med fabrikationsafvigelser, såsom at øge bølgelederbredden fra 400 nanometer til 700 nanometer.

"Vi viser, at ydelsen af ​​slutbrandindsprøjtningsteknikken er sammenlignelig med konventionelle mikrodiske, men med forbedret robusthed og reducerede omkostninger, " sagde Song. "Samlet set, vores resultater viser, at mikrodiske nu er klar til kommercielle applikationer."

Forskerne demonstrerede også, at sensorer, der inkorporerede mikrodisketter og slut-brand-injektion, kunne detektere tilstedeværelsen af ​​flere store nanopartikler samt enkelte nanopartikler helt ned til 30 nanometer. De er interesserede i at bruge celle-afledte vesikler, der er omkring 40 til 100 nanometer til at opdage kræft, hvilket burde være muligt baseret på disse resultater.

Forskerne arbejder nu på andre dele af enheden, der ville være nødvendige for at bruge slutbrandindsprøjtningsteknikken til at oprette en bærbar og billig sensor, der kan registrere tidlige indikatorer for kræft.