Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Light:Science &Applications .

Snelle en gevoelige, labelvrije sensoren zijn nodig voor veel biochemische toepassingen, waaronder vroege diagnostiek en prognoses, het monitoren van de voedsel- en waterkwaliteit, het detecteren van chemische bedreigingen en de vroege detectie van gevaarlijke gassen. Whispering Gallery Mode (WGM) microtoroid optische resonatoren zijn een van de meest gevoelige biochemische sensoren die er bestaan, en zijn in staat om afzonderlijke moleculen te detecteren.

Licht wordt doorgaans in deze resonatoren gekoppeld met behulp van een taps toelopende optische vezel, die gemakkelijk kapot gaat, onderhevig is aan trillingsgeluiden en tijdrovend is om te maken, waarvoor omvangrijke en kostbare instrumenten en gespecialiseerde expertise nodig zijn. Het gebruik van taps toelopende optische vezels vormt de belangrijkste belemmering voor de lancering van deze sensoren buiten het laboratorium.

Onder leiding van prof. Judith Su heeft een onderzoeksgroep van het Wyant College of Optical Sciences en de afdeling Biomedische Technologie van de Universiteit van Arizona een manier gedemonstreerd om de noodzaak van een taps toelopende vezel te elimineren door far-field-excitatie uit te voeren met een SNR> 26 dB. Dit werd gedaan door gebruik te maken van een enkele objectieflens voor excitatie van de resonator, het monitoren van de resonantiegolflengte en beeldvorming.

Het systeem is compacter, kosteneffectiever en stabieler dan taps toelopende, op glasvezels gebaseerde koppelingen. Het ingewikkelde proces van het trekken van een taps toelopende vezel is niet langer nodig. Factoren van ultrahoge kwaliteit (> 10 ⁸ ) werden bereikt met behulp van microtoroids met een diameter van 100 micron. Su's team liet zien dat het mogelijk was om de efficiëntie van de far-field-koppeling te verbeteren door een zeer uiteenlopende laserstraal te gebruiken. Door de far-field-straal te scannen was het mogelijk om het elektrische veldprofiel in de resonator te bestuderen.

Het realiseren van een far-field-excitatiesysteem maakt volledig op de chip microtoroid-resonatordetectieplatforms haalbaar voor gebruik in het veld. Su's groep heeft eerder aangetoond dat microtoroid-resonatoren gevaarlijke gassen kunnen detecteren bij lage delen per biljoen, en dus kan er binnenkort een systeem voor vroege detectie van gevaarlijke gassen voor praktisch gebruik worden ontwikkeld. De detectieprestaties van dit systeem zijn geverifieerd via een temperatuurdetectie-experiment.

Tegelijkertijd werkt Su's groep aan het aanpassen van het systeem voor biosensing-detectie in waterige omgevingen en aan het multiplexen van de sensoren voor gelijktijdige detectie van meerdere doelen.

"Wij geloven dat dit far-field-koppelingssysteem kan worden gebruikt voor spectroscopie en biosensoren, en de basis vormt van een volledig op de chip geplaatst microtoroid-resonator-detectieplatform. Deze aanpak heeft onze experimenten een stuk eenvoudiger gemaakt. We streven ernaar ons systeem te miniaturiseren om maak het handiger voor praktisch gebruik", zegt Sartanee Suebka, eerste auteur van het artikel.