a, Encellsövervakning med en intracellulär mikrolaser. b, 3D-arrangemang av myofibriller runt mikropärlor i neonatala kardiomyocyter (CM). Cellkärna (magenta) och mikrolaser (grön). c, WGM-spektrum för en mikrolaser och dess skiftning. d, Mikrolaser fäst vid förmaket i ett zebrafiskhjärta. e, Brytningsindex förändring mellan vilofasen, diastole, och maximal sammandragning, systole, för 12 individuella celler. f, Extracellulär mikrolaser ovanpå en vuxen CM. Skalstång 30 μm. g, Spår av en spontant slående neonatal CM under administrering av 500 nM nifedipin. Anpassad med tillstånd från Schubert M. et al. Övervakning av kontraktilitet i hjärtvävnad med cellulär upplösning med hjälp av biointegrerade mikrolasrar. Nature Photonics 14, 452-458, (2020). Kredit:Nikita Toropov, Gema Cabello, Mariana P. Serrano, Rithvik R. Gutha, Matías Rafti, Frank Vollmer
Whispering-gallery-mode (WGM) mikroresonatorer öppnar upp många nya forskningsriktningar som möjliggör detektering av proteiner, enzymer och DNA, ner till enstaka molekyler. En ny klass av sensorer använder sig av aktiva mikroresonatorer för att drastiskt utöka funktionaliteten och utbudet av WGM-sensorapplikationer, speciellt för biologiska och kemiska analyser. Vi granskar de senaste framstegen med WGM-mikrolasrar för biosensing och ger en inblick i spännande nya forskningsriktningar och nya WGM-sensorapplikationer.
Etikettfria optiska sensorer baserade på mikroresonatorer med optisk whispering-gallery-mode (WGM) uppvisar enastående känslighet för att detektera fysiska, kemisk, och biologiska enheter, även ner till enstaka molekyler. Detta framsteg inom etikettfri optisk detektion är möjlig genom tillämpning av den optiska mikroresonatorn, dvs en 100 um glasmikrosfärer, som optisk kavitet för att förbättra detekteringssignalen. Liknar en sfärisk mikrospegel, WGM-hålrummet reflekterar ljuset genom nästan total intern reflektion och skapar därigenom flera kavitetspassager som förbättrar den optiska detektionen av analytmolekyler som interagerar med det evanescenta fältet.
I motsats till de "kalla" WGM mikroresonatorerna, de framväxande aktiva WGM-mikrolasrarna har potential att avsevärt utöka antalet möjliga tillämpningar av denna klass av sensorer inom biologisk och kemisk avkänning, och speciellt avkänning in vivo. WGM-mikrolasrarna kan känna av inifrån vävnad, organismer och enstaka celler, och de kan användas för att förbättra de redan imponerande gränserna för detektion av en enda molekyl för de optoplasmoniska WGM-sensorerna i "kall hålighet".
Här, vi granskar de senaste framstegen med WGM-mikrolasrar inom biosensing. I motsats till de "kalla" WGM-sensorerna, de aktiva WGM-mikroresonatorerna använder sig av förstärkningsmedia som färgämnesmolekyler och kvantprickar för att kompensera för optisk förlust och för att uppnå lasring av WGM-lägena. I likhet med andra konventionella lasrar, lasring observeras från smala spektrallinjer i WGM-emissionsspektra.
Vi granskar de viktigaste byggstenarna i WGM mikrolasrar, nyligen demonstrerade avkänningsmekanismer, metoderna för att integrera förstärkningsmedia i WGM-sensorer, och möjligheterna för aktiva WGM-sensorer att bli en användbar teknik i verkliga tillämpningar. Vi granskar WGM mikrolaseravkänningsexperiment på molekylär nivå där lasrspektra analyseras för att studera bindningen av molekyler, till avkänning på cellnivå där mikrolasrar är inbäddade i eller integrerade med enstaka celler för att möjliggöra nya in vivo-avkänning och encellsspårningstillämpningar (se figur).
