C'è una continua necessità di sensori pratici basati su chip che possono essere utilizzati nel punto di cura per rilevare il cancro e altre malattie. Un modo innovativo per iniettare luce in minuscoli microdischi di silicio potrebbe aiutare a soddisfare questa esigenza riducendo i costi e migliorando le prestazioni dei biosensori basati su chip. Il progresso potrebbe alla fine portare a un sensore ottico portatile ea basso costo per la diagnostica del cancro in fase iniziale.

I microdischi sono un tipo di risonatore a microscala che utilizza l'effetto ottico della galleria dei sussurri per confinare e migliorare la luce che entra nel disco. Proprio come le pareti curve di una galleria sussurrante trasportano onde sonore per consentire ai sussurri di essere uditi chiaramente in una stanza, la superficie interna curva di un microdisco trasporta onde luminose attraverso il disco, esaltando la luce. Ciò consente al microdisk di amplificare un segnale basato sulla luce proveniente da una cella, proteine ​​o virus di interesse, consentendo un rilevamento più sensibile dei sottili cambiamenti associati a malattie come il lupus, fibromialgia e alcuni problemi cardiaci.

"Sebbene esistano micro-risonatori in modalità galleria sussurrante che possono già essere utilizzati per risolvere singole molecole, la loro applicazione è limitata da problemi di ripetibilità del dispositivo, stabilità e gamma di lunghezze d'onda, ", ha affermato il capo del gruppo di ricerca Qinghai Song dell'Harbin Institute of Technology, Cina. "Il nostro nuovo design consente prestazioni eccellenti del dispositivo che funziona con una varietà di lunghezze d'onda a basso costo, maggiore stabilità e migliore ripetibilità del dispositivo."

In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori dettagliano la loro nuova configurazione di iniezione end-fire, che offre un semplice, modo economico ed efficiente per far entrare la luce nel risonatore del microdisk. Mostrano inoltre che i dispositivi che utilizzano microdischi e iniezione end-fire possono essere utilizzati per rilevare i cambiamenti di temperatura e la presenza di nanoparticelle.

L'obiettivo finale dei ricercatori è utilizzare la loro nuova tecnica di iniezione end-fire per creare un sensore portatile ea basso costo in grado di rilevare i cambiamenti nelle cellule che sono indicatori precoci del cancro. Però, sottolineano che la nuova configurazione di accoppiamento della luce potrebbe essere utile anche per circuiti fotonici integrati per applicazioni di comunicazione e una varietà di sensori come quelli utilizzati nella sicurezza nazionale o nel monitoraggio ambientale.

Utilizzo dell'inversione temporale

La maggior parte dei microdischi è progettata in modo che la luce venga iniettata indirettamente nel microdisco utilizzando un fenomeno ottico noto come accoppiamento della luce evanescente. Però, questo metodo richiede un allineamento molto preciso tra la guida d'onda e il microdisk, che aumenta i costi di fabbricazione e rende i dispositivi suscettibili di problemi di stabilità.

La tecnica di iniezione end-fire dei ricercatori utilizza una guida d'onda direttamente collegata al bordo del microdisk. Sebbene la luce esattamente perpendicolare al lato del disco rimbalzi sull'interfaccia, l'uso della luce con un'angolazione leggermente inferiore a quella perpendicolare induce un fenomeno controintuitivo noto come inversione temporale del laser. Questo crea un laser che assorbe la luce invece di emetterla, permettendo alla luce di entrare in modo efficiente nel microdisk.

"Poiché questa configurazione non richiede parti inferiori a 500 nanometri, può essere fabbricato con tecniche a basso costo, " disse Canzone.

Per testare il loro design, i ricercatori hanno fabbricato un dispositivo che includeva un microdisco con un raggio di 5 micron collegato a una guida d'onda. Per misurare l'iniezione di fine fuoco, incorporavano uno splitter a Y che permetteva alla luce che passava attraverso lo splitter di essere iniettata nel microdisco e quindi di essere trasmessa dal microdisco lungo la stessa guida d'onda. La registrazione dello spettro proveniente dalla giunzione a Y ha mostrato che la luce può essere accoppiata al microdisco con un'efficienza fino al 57 percento.

Hanno anche dimostrato che il dispositivo ha mostrato un fattore Q elevato, una misura di quanto bene il microdisk confina e amplifica la luce. Inoltre, il dispositivo ha mantenuto buoni parametri di prestazione anche con deviazioni di fabbricazione come l'aumento della larghezza della guida d'onda da 400 nanometri a 700 nanometri.

"Mostriamo che le prestazioni della tecnica di iniezione end-fire sono paragonabili a quelle dei microdischi convenzionali ma con una maggiore robustezza e costi ridotti, " ha detto Song. "Nel complesso, i nostri risultati mostrano che i microdischi sono ora pronti per applicazioni commerciali".

I ricercatori hanno anche dimostrato che i sensori che incorporano microdischi e iniezione end-fire potrebbero rilevare la presenza di più grandi nanoparticelle e di singole nanoparticelle piccole fino a 30 nanometri. Sono interessati all'utilizzo di vescicole derivate da cellule di circa 40-100 nanometri per rilevare il cancro, che dovrebbe essere possibile sulla base di questi risultati.

I ricercatori stanno ora lavorando su altre parti del dispositivo che sarebbero necessarie per utilizzare la tecnica di iniezione end-fire per creare un sensore portatile ea basso costo in grado di rilevare i primi indicatori di cancro.