Biosensing med lasere i hviskende galleritilstand

Whispering-gallery-mode (WGM) mikroresonatorer åbner op for mange nye forskningsretninger, der muliggør påvisning af proteiner, enzymer og DNA, ned til enkelte molekyler. En ny klasse af sensorer gør brug af aktive mikroresonatorer til drastisk at udvide funktionaliteten og rækken af ​​WGM-sensorapplikationer, især til biologiske og kemiske analyser. Vi gennemgår de seneste fremskridt inden for WGM-mikrolasere til biosensing og giver et overblik over spændende nye forskningsretninger og nye WGM-sensorapplikationer.

Etiketfrie optiske sensorer baseret på optisk hviskende-galleri-tilstand (WGM) mikroresonatorer udviser ekstraordinær følsomhed til at detektere fysiske, kemisk, og biologiske enheder, selv ned til enkelte molekyler. Dette fremskridt inden for etiketfri optisk detektion er muliggjort ved anvendelse af den optiske mikroresonator, dvs. en 100 um glasmikrosfærer, som optisk hulrum for at forbedre detektionssignalet. Beslægtet med et sfærisk mikrospejl, WGM-hulrummet reflekterer lyset ved næsten total intern refleksion og skaber derved flere hulrumspassager, der forbedrer den optiske detektion af analytmolekyler, der interagerer med det flygtige felt.

I modsætning til de 'kolde' WGM mikroresonatorer, de nye aktive WGM-mikrolasere har potentialet til betydeligt at udvide antallet af mulige anvendelser af denne klasse af sensorer i biologisk og kemisk sensing, og især in vivo sansning. WGM-mikrolaserne kan mærke inde fra væv, organismer og enkeltceller, og de kan bruges til at forbedre de allerede imponerende enkeltmolekyle-detektionsgrænser for de 'kolde'-hulrum optoplasmoniske WGM-sensorer.

Her, vi gennemgår de seneste fremskridt med WGM-mikrolasere inden for biosensing. I modsætning til de 'kolde' WGM-sensorer, de aktive WGM mikroresonatorer gør brug af forstærkningsmedier såsom farvestofmolekyler og kvanteprikker for at kompensere for optisk tab og for at opnå lasering af WGM-tilstandene. I lighed med andre konventionelle lasere, Lasing observeres fra smalle spektrallinjer i WGM-emissionsspektrene.

Vi gennemgår de vigtigste byggesten i WGM mikrolasere, nyligt demonstrerede sansemekanismer, metoderne til at integrere forstærkningsmedier i WGM-sensorer, og mulighederne for, at aktive WGM-sensorer bliver en nyttig teknologi i virkelige applikationer. Vi gennemgår WGM mikrolaser sensing eksperimenter på molekylært niveau, hvor laserspektre analyseres for at studere bindingen af ​​molekyler, til sansning på celleniveau, hvor mikrolasere er indlejret i eller integreret med enkeltceller for at muliggøre nye in vivo sensing og enkeltcellesporingsapplikationer (se figur).