Βιοαισθητήρας με λέιζερ τύπου whispering-gallery

[Giannis]

Οι μικροσυντονιστές τύπου Whispering-gallery (WGM) ανοίγουν πολλές νέες ερευνητικές κατευθύνσεις που επιτρέπουν την ανίχνευση πρωτεϊνών, ενζύμων και DNA, μέχρι μεμονωμένα μόρια. Μια νέα κατηγορία αισθητήρων χρησιμοποιεί ενεργούς μικροσυντονιστές για να επεκτείνει δραστικά τη λειτουργικότητα και το εύρος των εφαρμογών αισθητήρων WGM, ειδικά για βιολογικές και χημικές αναλύσεις. Εξετάζουμε τις πιο πρόσφατες εξελίξεις των μικρολέιζερ WGM για βιοαισθητήρα και παρέχουμε μια προοπτική για συναρπαστικές νέες ερευνητικές κατευθύνσεις και αναδυόμενες εφαρμογές αισθητήρων WGM.

Οι οπτικοί αισθητήρες χωρίς ετικέτες που βασίζονται σε μικροσυντονιστές λειτουργίας οπτικού ψιθύρου (WGM) παρουσιάζουν εξαιρετική ευαισθησία για την ανίχνευση φυσικών, χημικών και βιολογικών οντοτήτων, ακόμη και σε μεμονωμένα μόρια . Αυτή η πρόοδος στην οπτική ανίχνευση χωρίς ετικέτες γίνεται δυνατή με την εφαρμογή του οπτικού μικροσυντονιστή, δηλαδή μιας γυάλινης μικροσφαιρών 100 um, ως οπτική κοιλότητα για την ενίσχυση του σήματος ανίχνευσης. Μοιάζει με ένα σφαιρικό μικροκάτοπτρο, η κοιλότητα WGM αντανακλά το φως με σχεδόν ολική εσωτερική ανάκλαση και έτσι δημιουργεί πολλαπλά περάσματα κοιλότητας που ενισχύουν την οπτική ανίχνευση μορίων αναλυόμενης ουσίας που αλληλεπιδρούν με το παροδικό πεδίο.

Σε αντίθεση με τους «ψυχρούς» μικροσυντονιστές WGM, τα αναδυόμενα ενεργά μικρολέιζερ WGM έχουν τη δυνατότητα να επεκτείνουν σημαντικά τον αριθμό των πιθανών εφαρμογών αυτής της κατηγορίας αισθητήρων στη βιολογική και χημική ανίχνευση, και ιδιαίτερα στην in vivo ανίχνευση. Τα μικρολέιζερ WGM μπορούν να ανιχνεύσουν μέσα από ιστούς, οργανισμούς και μεμονωμένα κύτταρα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να βελτιώσουν τα ήδη εντυπωσιακά όρια ανίχνευσης ενός μορίου των οπτοπλασμονικών αισθητήρων WGM «ψυχρής» κοιλότητας.

Εδώ, εξετάζουμε τις πιο πρόσφατες εξελίξεις των μικρολέιζερ WGM στον βιοαισθητήρα. Σε αντίθεση με τους αισθητήρες WGM «κρύας» κοιλότητας, οι ενεργοί μικροσυντονιστές WGM χρησιμοποιούν μέσα απολαβής, όπως μόρια βαφής και κβαντικές κουκκίδες για να αντισταθμίσουν την οπτική απώλεια και να επιτύχουν lasing των λειτουργιών WGM. Παρόμοια με άλλα συμβατικά λέιζερ, το lasing παρατηρείται από στενές φασματικές γραμμές στα φάσματα εκπομπής WGM.

Εξετάζουμε τα κύρια δομικά στοιχεία των μικρολέιζερ WGM, τους μηχανισμούς ανίχνευσης που επιδείχθηκαν πρόσφατα, τις μεθόδους ενσωμάτωσης μέσων απολαβής σε αισθητήρες WGM και τις προοπτικές για τους ενεργούς αισθητήρες WGM να γίνουν χρήσιμη τεχνολογία σε εφαρμογές πραγματικού κόσμου. Επανεξετάζουμε τα πειράματα ανίχνευσης μικρολέιζερ WGM σε μοριακό επίπεδο όπου αναλύονται φάσματα λέιζινγκ για τη μελέτη της δέσμευσης μορίων, στην ανίχνευση σε κυτταρικό επίπεδο όπου τα μικρολέιζερ είναι ενσωματωμένα ή ενσωματωμένα σε μεμονωμένα κύτταρα για να καταστεί δυνατή η νέα in vivo ανίχνευση και η παρακολούθηση ενός κυττάρου εφαρμογές .