Er is een blijvende behoefte aan praktische op chips gebaseerde sensoren die in de zorg kunnen worden gebruikt om kanker en andere ziekten op te sporen. Een innovatieve manier om licht te injecteren in kleine siliciummicroschijven kan helpen om aan deze behoefte te voldoen door de kosten te verlagen en de prestaties van op chips gebaseerde biosensoren te verbeteren. De vooruitgang zou uiteindelijk kunnen leiden tot een draagbare en goedkope optische sensor voor kankerdiagnostiek in een vroeg stadium.

Microschijven zijn een soort microschaalresonator die het optische effect van de fluistergalerij gebruikt om het licht dat de schijf binnenkomt te beperken en te verbeteren. Net zoals de gebogen wanden van een fluistergalerij geluidsgolven dragen om het gefluister duidelijk door een kamer te laten horen, het gebogen binnenoppervlak van een microschijf draagt ​​lichtgolven over de schijf, het licht versterken. Hierdoor kan de microdisk een op licht gebaseerd signaal van een cel versterken, eiwit of virus van belang, waardoor een meer gevoelige detectie van subtiele veranderingen in verband met ziekten zoals lupus, fibromyalgie en bepaalde hartproblemen.

"Hoewel er fluisterende micro-resonatoren in galerijmodus zijn die al kunnen worden gebruikt om afzonderlijke moleculen op te lossen, hun toepassing wordt beperkt door problemen met de herhaalbaarheid van het apparaat, stabiliteit en golflengtebereik, " zei onderzoeksteamleider Qinghai Song van het Harbin Institute of Technology, China. "Ons nieuwe ontwerp zorgt voor uitstekende apparaatprestaties die werken met een verscheidenheid aan golflengten tegen lage kosten, hogere stabiliteit en betere herhaalbaarheid van het apparaat."

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, de onderzoekers beschrijven hun nieuwe end-fire-injectieconfiguratie, die een eenvoudige, kosteneffectieve en efficiënte manier om licht in de microschijfresonator te krijgen. Ze laten ook zien dat apparaten die microschijven en end-fire-injectie gebruiken, kunnen worden gebruikt om temperatuurveranderingen en de aanwezigheid van nanodeeltjes te detecteren.

Het uiteindelijke doel van de onderzoekers is om hun nieuwe end-fire injectietechniek te gebruiken om een ​​draagbare en goedkope sensor te creëren die veranderingen in cellen kan detecteren die vroege indicatoren van kanker zijn. Echter, ze wijzen erop dat de nieuwe lichtkoppelingsconfiguratie ook nuttig kan zijn voor geïntegreerde fotonische circuits voor communicatietoepassingen en een verscheidenheid aan sensoren, zoals die worden gebruikt in de binnenlandse veiligheid of milieumonitoring.

Tijdomkering gebruiken

De meeste microschijven zijn zo ontworpen dat licht indirect in de microschijf wordt geïnjecteerd met behulp van een optisch fenomeen dat bekend staat als evanescent light-koppeling. Echter, deze methode vereist een zeer nauwkeurige uitlijning tussen de golfgeleider en de microschijf, wat de fabricagekosten verhoogt en apparaten vatbaar maakt voor stabiliteitsproblemen.

De end-fire injectietechniek van de onderzoekers maakt gebruik van een golfgeleider die direct is verbonden met de rand van de microschijf. Hoewel licht dat precies loodrecht op de zijkant van de schijf staat, weerkaatst op de interface, het gebruik van licht onder een hoek van net iets minder dan loodrecht induceert een contra-intuïtief fenomeen dat bekend staat als lasertijdomkering. Hierdoor ontstaat een laser die licht absorbeert in plaats van uitstraalt. waardoor het licht efficiënt de microschijf kan binnendringen.

"Omdat deze configuratie geen onderdelen vereist die kleiner zijn dan 500 nanometer, het kan worden vervaardigd met goedkope technieken, " zei Lied.

Om hun ontwerp te testen, de onderzoekers fabriceerden een apparaat met een microschijf met een straal van 5 micron verbonden met een golfgeleider. Om de eindvuurinjectie te meten, ze bevatten een Y-splitter waardoor licht dat door de splitter ging, in de microschijf kon worden geïnjecteerd en vervolgens langs dezelfde golfgeleider uit de microschijf kon worden verzonden. Opname van het spectrum afkomstig van de Y-splitsing toonde aan dat licht met een efficiëntie van maar liefst 57 procent in de microschijf kon worden gekoppeld.

Ze toonden ook aan dat het apparaat een hoge Q-factor vertoonde, een maatstaf voor hoe goed de microdisk het licht opsluit en versterkt. In aanvulling, het apparaat behield goede prestatieparameters, zelfs met fabricageafwijkingen, zoals het vergroten van de golfgeleiderbreedte van 400 nanometer tot 700 nanometer.

"We laten zien dat de prestaties van de end-fire-injectietechniek vergelijkbaar zijn met die van conventionele microschijven, maar met verbeterde robuustheid en lagere kosten, " zei Song. "Over het algemeen, onze bevindingen tonen aan dat microschijven nu klaar zijn voor commerciële toepassingen."

De onderzoekers toonden ook aan dat sensoren met microschijven en end-fire-injectie de aanwezigheid van meerdere grote nanodeeltjes kunnen detecteren, evenals enkele nanodeeltjes zo klein als 30 nanometer. Ze zijn geïnteresseerd in het gebruik van van cellen afgeleide blaasjes van ongeveer 40 tot 100 nanometer om kanker te detecteren, wat op basis van deze resultaten mogelijk moet zijn.

De onderzoekers werken nu aan andere delen van het apparaat die nodig zouden zijn om de end-fire-injectietechniek te gebruiken om een ​​draagbare en goedkope sensor te maken die vroege indicatoren van kanker kan detecteren.