En ny teknik för slutbrandinjektion använder en vågledare (W) som är direkt ansluten till mikrodiskens kant. Ett fenomen som kallas laser tidsomvändning skapar en laser som absorberar ljus snarare än avger det, låter ljuset effektivt komma in i mikrodisken, som använder den viskande galleriets optiska effekt för att begränsa och förstärka ljuset som kommer in på disken Kredit:Qinghai Song, Harbin Institute of Technology i Kina
Det finns ett fortsatt behov av praktiska chipbaserade sensorer som kan användas vid vårdpunkten för att upptäcka cancer och andra sjukdomar. Ett innovativt sätt att injicera ljus i små kiselmikrodiskar kan hjälpa till att tillgodose detta behov genom att sänka kostnaden och förbättra prestanda för chipbaserade biosensorer. Framsteget kan så småningom leda till en bärbar och billig optisk sensor för cancerdiagnostik i ett tidigt skede.
Mikrodiskar är en typ av mikroskala-resonator som använder den viskande galleriets optiska effekt för att begränsa och förbättra ljuset som kommer in i disken. Precis som de böjda väggarna i ett viskande galleri bär ljudvågor så att viskningar tydligt kan höras i ett rum, den krökta inre ytan på en mikrodisk bär ljusvågor över skivan, förstärker ljuset. Detta gör att mikrodisken kan öka en ljusbaserad signal som kommer från en cell, protein eller virus av intresse, möjliggör mer känslig upptäckt av subtila förändringar i samband med sjukdomar som lupus, fibromyalgi och vissa hjärtproblem.
"Även om det finns viskande gallerialägesmikroresonatorer som redan kan användas för att lösa enskilda molekyler, deras tillämpning begränsas av problem med enhetens repeterbarhet, stabilitet och våglängdsområde, "sade forskargruppens ledare Qinghai Song från Harbin Institute of Technology, Kina. "Vår nya design möjliggör utmärkt enhetsprestanda som fungerar med olika våglängder till låg kostnad, högre stabilitet och bättre enhetens repeterbarhet. "
I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskarna beskriver deras nya konfiguration för slutbrandinjektion, som erbjuder en enkel, kostnadseffektivt och effektivt sätt att få in ljus i mikrodiskresonatorn. De visar också att enheter som använder mikrodiskar och injektion för sluteld kan användas för att upptäcka temperaturförändringar och förekomsten av nanopartiklar.
Forskarnas ultimata mål är att använda sin nya teknik för slutbrandinjektion för att skapa en bärbar och billig sensor som kan upptäcka förändringar i celler som är tidiga indikatorer på cancer. Dock, de påpekar att den nya ljuskopplingskonfigurationen också kan vara användbar för integrerade fotoniska kretsar för kommunikationsapplikationer och en mängd olika sensorer, t.ex. de som används i hemlandssäkerhet eller miljöövervakning.
Denna skanningelektronmikroskopi-bild visar ovanifrån av en enhet som innehåller en mikrodisk med en radie på 5 mikron ansluten till en vågledare. För att mäta brandinsprutning, de införlivade en Y-delare som gjorde att ljus som passerade genom delaren kunde injiceras i mikrodisken och sedan överföras från mikrodisken längs samma vågledare. Forskarna fann att ljuset kunde kopplas in i mikrodisken med en effektivitet så hög som 57 procent. Upphovsman:Qinghai Song, Harbin Institute of Technology i Kina
Använda tidsomvändning
De flesta mikrodiskar är utformade så att ljus indirekt injiceras i mikrodisken med hjälp av ett optiskt fenomen som kallas evanescent light coupling. Dock, denna metod kräver mycket exakt inriktning mellan vågledaren och mikrodisken, vilket ökar tillverkningskostnaderna och gör enheter mottagliga för stabilitetsproblem.
Forskarnas teknik för slutbrandinjektion använder en vågledare som är direkt ansluten till mikrodiskens kant. Även om ljus som är exakt vinkelrätt mot skivans sida kommer att studsa från gränssnittet, att använda ljusvinklad bara något mindre än vinkelrätt inducerar ett kontraintuitivt fenomen som kallas laser-tidsomvändning. Detta skapar en laser som absorberar ljus snarare än avger det, så att ljuset effektivt kan komma in i mikrodisken.
"Eftersom denna konfiguration inte kräver några delar som är mindre än 500 nanometer, det kan tillverkas med lågkostnadstekniker, "sa Song.
För att testa deras design, forskarna tillverkade en enhet som innehöll en mikrodisk med en radie på 5 mikron ansluten till en vågledare. För att mäta brandinsprutning, de införlivade en Y-delare som gjorde att ljus som passerade genom delaren kunde injiceras i mikrodisken och sedan överföras från mikrodisken längs samma vågledare. Att spela in spektrumet som kommer från Y-korsningen visade att ljuset kunde kopplas in i mikrodisken med en effektivitet så hög som 57 procent.
Forskarna skapade chipbaserade enheter, som den som visas här, som innehåller en mikrodisk och deras nya teknik för slutinbränningskoppling. Den nya ljusleveransstekniken kan sänka kostnaden och förbättra prestanda för chipbaserade biosensorer. Upphovsman:Qinghai Song, Harbin Institute of Technology i Kina
De visade också att enheten uppvisade en hög Q-faktor, ett mått på hur väl mikrodisken begränsar och förstärker ljuset. Dessutom, enheten upprätthöll goda prestandaparametrar även med fabrikationsavvikelser som att öka vågledarens bredd från 400 nanometer till 700 nanometer.
"Vi visar att prestandan för slutbrandinjektionstekniken är jämförbar med konventionella mikrodiskar men med förbättrad robusthet och minskade kostnader, "sa låten." Sammantaget våra resultat visar att mikrodiskar nu är redo för kommersiella applikationer. "
Forskarna visade också att sensorer som innehåller mikrodiskar och injektion vid slutbrand kan upptäcka förekomsten av flera stora nanopartiklar samt enstaka nanopartiklar så små som 30 nanometer. De är intresserade av att använda cellbaserade vesiklar som är cirka 40 till 100 nanometer för att upptäcka cancer, vilket borde vara möjligt utifrån dessa resultat.
Forskarna arbetar nu med andra delar av enheten som skulle behövas för att använda injektionstekniken för att skapa en bärbar och billig sensor som kan upptäcka tidiga indikatorer på cancer.
