Whispering-gallery-mode (WGM) microresonators openen veel nieuwe onderzoeksrichtingen die de detectie van eiwitten mogelijk maken, enzymen en DNA, tot enkele moleculen. Een nieuwe klasse sensoren maakt gebruik van actieve microresonators om de functionaliteit en het bereik van WGM-sensortoepassingen drastisch uit te breiden, vooral voor biologische en chemische testen. We bespreken de meest recente ontwikkelingen van WGM-microlasers voor biosensing en bieden een vooruitblik op opwindende nieuwe onderzoeksrichtingen en opkomende WGM-sensortoepassingen.

Labelvrije optische sensoren op basis van optische WGM-microresonators (WGM) vertonen een buitengewone gevoeligheid voor het detecteren van fysieke, chemisch, en biologische entiteiten, zelfs tot enkele moleculen. Deze vooruitgang in labelvrije optische detectie wordt mogelijk gemaakt door toepassing van de optische microresonator, d.w.z. een 100 um glazen microbolletjes, als optische holte om het detectiesignaal te verbeteren. Verwant aan een bolvormige microspiegel, de WGM-holte reflecteert het licht door bijna totale interne reflectie en creëert daardoor meerdere holtes die de optische detectie van analytmoleculen die in wisselwerking staan ​​met het verdwijnende veld verbeteren.

In tegenstelling tot de 'koude' WGM microresonatoren, de opkomende actieve WGM-microlasers hebben het potentieel om het aantal mogelijke toepassingen van deze klasse sensoren in biologische en chemische detectie aanzienlijk uit te breiden, en vooral bij in vivo detectie. De WGM-microlasers kunnen vanuit weefsel voelen, organismen en afzonderlijke cellen, en ze kunnen worden gebruikt om de toch al indrukwekkende detectielimieten van één molecuul van de optoplasmonische WGM-sensoren met 'koude' holte te verbeteren.

Hier, we bespreken de meest recente ontwikkelingen van WGM-microlasers in biosensing. In tegenstelling tot de 'koude' caviteit WGM sensoren, de actieve WGM-microresonators maken gebruik van versterkingsmedia zoals kleurstofmoleculen en kwantumdots om optisch verlies te compenseren en om laserwerking van de WGM-modi te bereiken. Net als bij andere conventionele lasers, laseren wordt waargenomen vanuit smalle spectraallijnen in de WGM-emissiespectra.

We bespreken de belangrijkste bouwstenen van WGM-microlasers, onlangs aangetoonde detectiemechanismen, de methoden voor het integreren van versterkingsmedia in WGM-sensoren, en de vooruitzichten voor actieve WGM-sensoren om een ​​nuttige technologie te worden in toepassingen in de echte wereld. We bekijken WGM-microlaserdetectie-experimenten op moleculair niveau waar laserspectra worden geanalyseerd om de binding van moleculen te bestuderen, tot detectie op cellulair niveau waar microlasers zijn ingebed in of geïntegreerd met enkele cellen om nieuwe in vivo detectie en single-cell tracking-toepassingen mogelijk te maken (zie afbeelding).