un, Monitoraggio unicellulare con un microlaser intracellulare. B, Disposizione 3D delle miofibrille attorno alle microsfere nei cardiomiociti (CM) neonatali. Nucleo cellulare (magenta) e microlaser (verde). C, Spettro WGM di un microlaser e suo spostamento. D, Microlaser attaccato all'atrio di un cuore di zebrafish. e, Variazione dell'indice di rifrazione tra la fase di riposo, diastole, e picco di contrazione, sistole, per 12 singole celle. F, Microlaser extracellulare sopra un CM adulto. Barra della scala 30 μm. G, Traccia di CM neonatale che batte spontaneamente durante la somministrazione di 500 nM nifedipina. Adattato con il permesso di Schubert M. et al. Monitoraggio della contrattilità nel tessuto cardiaco con risoluzione cellulare mediante microlaser biointegrati. Fotonica della natura 14, 452-458, (2020). Credito:Nikita Toropov, Gema Cabello, Mariana P. Serrano, Rithvik R. Gutha, Matias Rafti, Frank Vollmer
I microrisonatori Whispering-gallery-mode (WGM) stanno aprendo molte nuove direzioni di ricerca che consentono il rilevamento di proteine, enzimi e DNA, fino a singole molecole. Una nuova classe di sensori fa uso di microrisonatori attivi per espandere drasticamente la funzionalità e la gamma delle applicazioni dei sensori WGM, soprattutto per le analisi biologiche e chimiche. Esaminiamo i più recenti progressi dei microlaser WGM per il biorilevamento e forniamo una prospettiva su nuove entusiasmanti direzioni di ricerca e sulle applicazioni emergenti dei sensori WGM.
I sensori ottici senza etichetta basati su microrisonatori ottici sussurranti-gallery-mode (WGM) mostrano una straordinaria sensibilità per il rilevamento fisico, chimico, ed entità biologiche, anche a singole molecole. Questo progresso nel rilevamento ottico senza etichetta è reso possibile dall'applicazione del microrisonatore ottico, cioè microsfere di vetro da 100 um, come cavità ottica per migliorare il segnale di rilevamento. Simile a un microspecchio sferico, la cavità WGM riflette la luce per riflessione interna quasi totale e quindi crea più passaggi di cavità che migliorano il rilevamento ottico delle molecole di analita che interagiscono con il campo evanescente.
A differenza dei microrisonatori WGM "freddi", i microlaser WGM attivi emergenti hanno il potenziale per espandere significativamente il numero di possibili applicazioni di questa classe di sensori nel rilevamento biologico e chimico, e soprattutto nel rilevamento in vivo. I microlaser WGM possono rilevare dall'interno dei tessuti, organismi e singole cellule, e possono essere utilizzati per migliorare i già impressionanti limiti di rilevamento delle singole molecole dei sensori optoplasmonici WGM a cavità "fredda".
Qui, esaminiamo i più recenti progressi dei microlaser WGM nel biosensore. A differenza dei sensori WGM a cavità "fredda", i microrisonatori WGM attivi utilizzano mezzi di guadagno come molecole di colorante e punti quantici per compensare la perdita ottica e ottenere il laser delle modalità WGM. Simile ad altri laser convenzionali, il laser è osservato da righe spettrali strette negli spettri di emissione del WGM.
Esaminiamo i principali elementi costitutivi dei microlaser WGM, meccanismi di rilevamento recentemente dimostrati, i metodi per integrare i mezzi di guadagno nei sensori WGM, e le prospettive che i sensori WGM attivi diventino una tecnologia utile nelle applicazioni del mondo reale. Esaminiamo gli esperimenti di rilevamento del microlaser WGM a livello molecolare in cui vengono analizzati gli spettri laser per studiare il legame delle molecole, al rilevamento a livello cellulare in cui i microlaser sono incorporati o integrati con singole cellule per consentire nuove applicazioni di rilevamento in vivo e tracciamento di singole cellule (vedi figura).
