Una nueva técnica de inyección de fuego final utiliza una guía de ondas (W) que está conectada directamente al borde del microdisco. Un fenómeno conocido como láser de inversión del tiempo crea un láser que absorbe la luz en lugar de emitirla. permitir que la luz entre de manera eficiente en el microdisco, que utilizan el efecto óptico de la galería de susurros para confinar y mejorar la luz que ingresa al disco Crédito:Qinghai Song, Instituto de Tecnología de Harbin en China
Existe una necesidad continua de sensores prácticos basados en chips que puedan usarse en el punto de atención para detectar el cáncer y otras enfermedades. Una forma innovadora de inyectar luz en pequeños microdiscos de silicio podría ayudar a satisfacer esta necesidad al reducir el costo y mejorar el rendimiento de los biosensores basados en chips. El avance podría eventualmente conducir a un sensor óptico portátil y de bajo costo para el diagnóstico de cáncer en etapa temprana.
Los microdiscos son un tipo de resonador a microescala que utiliza el efecto óptico de galería susurrante para confinar y mejorar la luz que ingresa al disco. Así como las paredes curvas de una galería susurrante transportan ondas sonoras para permitir que los susurros se escuchen claramente a través de una habitación, la superficie interior curva de un microdisco transporta ondas de luz a través del disco, realzando la luz. Esto permite que el microdisco aumente una señal basada en luz proveniente de una celda, proteína o virus de interés, permitiendo una detección más sensible de cambios sutiles asociados con enfermedades como el lupus, fibromialgia y ciertos problemas cardíacos.
"Aunque hay micro-resonadores susurrantes en modo galería que ya se pueden usar para resolver moléculas individuales, su aplicación está limitada por problemas en la repetibilidad del dispositivo, estabilidad y rango de longitud de onda, "dijo el líder del equipo de investigación Qinghai Song del Instituto de Tecnología de Harbin, Porcelana. "Nuestro nuevo diseño permite un excelente rendimiento del dispositivo que funciona con una variedad de longitudes de onda a bajo costo, mayor estabilidad y mejor repetibilidad del dispositivo ".
En Optica , La revista de la Optical Society para la investigación de alto impacto, los investigadores detallan su nueva configuración de inyección de fuego final, que ofrece un sencillo, Una forma rentable y eficiente de introducir luz en el resonador de microdiscos. También muestran que los dispositivos que utilizan microdiscos e inyección de fuego final se pueden utilizar para detectar cambios de temperatura y la presencia de nanopartículas.
El objetivo final de los investigadores es utilizar su nueva técnica de inyección de fuego final para crear un sensor portátil y de bajo costo que pueda detectar cambios en las células que son indicadores tempranos de cáncer. Sin embargo, señalan que la nueva configuración de acoplamiento de luz también podría ser útil para circuitos fotónicos integrados para aplicaciones de comunicación y una variedad de sensores, como los que se utilizan en la seguridad nacional o el monitoreo ambiental.
Esta imagen de microscopía electrónica de barrido muestra la vista superior de un dispositivo que incluye un microdisco con un radio de 5 micrones conectado a una guía de ondas. Para medir la inyección de fuego final, incorporaron un divisor en Y que permitía que la luz que pasaba a través del divisor se inyectara en el microdisco y luego se transmitiera fuera del microdisco a lo largo de la misma guía de ondas. Los investigadores encontraron que la luz podría acoplarse al microdisco con una eficiencia de hasta el 57 por ciento. Crédito:Qinghai Song, Instituto de Tecnología de Harbin en China
Usando inversión de tiempo
La mayoría de los microdiscos están diseñados para que la luz se inyecte indirectamente en el microdisco mediante un fenómeno óptico conocido como acoplamiento de luz evanescente. Sin embargo, este método requiere una alineación muy precisa entre la guía de ondas y el microdisco, lo que aumenta los costos de fabricación y hace que los dispositivos sean susceptibles a problemas de estabilidad.
La técnica de inyección de fuego final de los investigadores utiliza una guía de ondas que está conectada directamente al borde del microdisco. Aunque la luz que es exactamente perpendicular al lado del disco rebotará en la interfaz, el uso de luz con un ángulo ligeramente menor que el perpendicular induce un fenómeno contrario a la intuición conocido como inversión del tiempo del láser. Esto crea un láser que absorbe la luz en lugar de emitirla. permitiendo que la luz entre eficientemente en el microdisco.
"Debido a que esta configuración no requiere piezas de menos de 500 nanómetros, se puede fabricar con técnicas de bajo costo, "dijo Song.
Para probar su diseño, los investigadores fabricaron un dispositivo que incluía un microdisco con un radio de 5 micrones conectado a una guía de ondas. Para medir la inyección de fuego final, incorporaron un divisor en Y que permitía que la luz que pasaba a través del divisor se inyectara en el microdisco y luego se transmitiera fuera del microdisco a lo largo de la misma guía de ondas. El registro del espectro proveniente de la unión en Y mostró que la luz se podía acoplar al microdisco con una eficiencia de hasta el 57 por ciento.
Los investigadores crearon dispositivos basados en chips, como el que se muestra aquí, que incorporan un microdisco y su nueva técnica de acoplamiento por inyección de fuego final. La nueva técnica de suministro de luz podría reducir el costo y mejorar el rendimiento de los biosensores basados en chips. Crédito:Qinghai Song, Instituto de Tecnología de Harbin en China
También demostraron que el dispositivo exhibía un factor Q alto, una medida de qué tan bien el microdisco confina y amplifica la luz. Además, el dispositivo mantuvo buenos parámetros de rendimiento incluso con desviaciones de fabricación, como aumentar el ancho de la guía de ondas de 400 nanómetros a 700 nanómetros.
"Demostramos que el rendimiento de la técnica de inyección de fuego final es comparable al de los microdiscos convencionales, pero con una robustez mejorada y un coste reducido, "dijo Song". En general, nuestros hallazgos muestran que los microdiscos ahora están listos para aplicaciones comerciales ".
Los investigadores también demostraron que los sensores que incorporan microdiscos e inyección de fuego final podrían detectar la presencia de múltiples nanopartículas grandes, así como nanopartículas individuales tan pequeñas como 30 nanómetros. Están interesados en utilizar vesículas derivadas de células de alrededor de 40 a 100 nanómetros para detectar el cáncer. lo cual debería ser posible en base a estos resultados.
Los investigadores ahora están trabajando en otras partes del dispositivo que serían necesarias para usar la técnica de inyección de fuego final para crear un sensor portátil y de bajo costo que pueda detectar indicadores tempranos de cáncer.
