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2018年11月29日

创新的光传输技术改善了生物传感器

新方法提高了癌症和其他疾病的高灵敏度传感器的实用性

一直需要基于芯片的实用传感器,其可用于护理点以检测癌症和其他疾病。将光注入微小硅微盘的创新方法可以通过降低成本和提高基于芯片的生物传感器的性能来满足这一需求。这一进步最终将导致用于早期癌症诊断的便携式低成本光学传感器。

微型磁盘是一种微型谐振器,它使用回音壁光学效应来限制和增强进入磁盘的光。正如一个低语画廊的弧形墙壁带有声波,可以在房间内清晰地听到低语,微盘的弯曲内表面会在光盘上传播光波,从而增强光线。这允许微盘增强来自感兴趣的细胞,蛋白质或病毒的基于光的信号,允许更灵敏地检测与狼疮,纤维肌痛和某些心脏病等疾病相关的细微变化。

“虽然有可能已经用于解析单分子的回音壁模式微谐振器,但它们的应用受到器件可重复性,稳定性和波长范围问题的限制,”研究小组负责人,来自中国哈尔滨工业大学的宋青海说。“我们的新设计可实现出色的器件性能,适用于各种波长,低成本,高稳定性和更好的器件可重复性。”

Optica,光学学会的高影响研究期刊中,研究人员详细介绍了他们新的端射射击配置,该配置提供了一种简单,经济且有效的方式来使光进入微盘谐振器。他们还表明,使用微盘和端射注入的设备可用于检测温度变化和纳米粒子的存在。

研究人员的最终目标是使用他们新的端射注射技术来创建一种便携式低成本传感器,可以检测作为癌症早期指标的细胞变化。然而,他们指出新的光耦合配置也可用于通信应用的集成光子电路和各种传感器,例如用于国土安全或环境监测的传感器。

使用时间反转

大多数微盘设计成使用称为渐逝光耦合的光学现象将光间接注入微盘。然而,该方法需要在波导和微盘之间进行非常精确的对准,这增加了制造成本并使装置易受稳定性问题的影响。

研究人员的终端射击技术使用直接连接到微盘边缘的波导。尽管与光盘侧面完全垂直的光线将从界面反射,但使用略小于垂直角度的光线会产生一种反直觉现象,称为激光时间反转。这产生了一种吸收光而不是发光的激光,使光能够有效地进入微盘。

“由于这种配置不需要任何小于500纳米的部件,因此可以采用低成本技术制造,”Song说。

为了测试他们的设计,研究人员制造了一种装置,其中包括一个半径为5微米的微盘与波导相连。为了测量端射注入,他们加入了一个Y分离器,它允许光通过分束器注入微盘,然后沿同一波导传输出微盘。记录来自Y结的光谱表明,光可以耦合到微盘中,效率高达57%

他们还表明该器件具有很高的Q因子,可以衡量微盘限制和放大光线的程度。此外,即使在制造偏差(例如将波导宽度从400纳米增加到700纳米)的情况下,该器件仍保持良好的性能参数。

“我们证明了端射射击技术的性能与传统微型射击技术的性能相当,但具有更高的稳健性和更低的成本,”Song说。“总的来说,我们的研究结果表明微型磁盘现在可以用于商业应用。”

研究人员还证明,结合微型射孔和端射注入的传感器可以检测到多个大型纳米粒子以及小至30纳米的单个纳米粒子的存在。他们有兴趣使用大约40100纳米的细胞衍生的囊泡来检测癌症,这应该可以基于这些结果。

目前,研究人员正致力于设备的其他部分,这些部件需要使用端射射技术来创建便携式低成本传感器,以便检测癌症的早期指标。

(选自《麦肯息讯》(医药))