Há uma necessidade contínua de sensores baseados em chips práticos que podem ser usados ​​no ponto de atendimento para detectar câncer e outras doenças. Uma maneira inovadora de injetar luz em minúsculos microdiscos de silício poderia ajudar a atender a essa necessidade, reduzindo o custo e melhorando o desempenho dos biossensores baseados em chip. O avanço pode levar a um sensor óptico portátil e de baixo custo para o diagnóstico de câncer em estágio inicial.

Microdiscos são um tipo de ressonador em microescala que usa o efeito óptico de galeria silenciosa para confinar e aumentar a luz que entra no disco. Assim como as paredes curvas de uma galeria de sussurros carregam ondas sonoras para permitir que os sussurros sejam ouvidos claramente em uma sala, a superfície interna curva de um microdisco transporta ondas de luz através do disco, aumentando a luz. Isso permite que o microdisco aumente um sinal baseado em luz vindo de uma célula, proteína ou vírus de interesse, permitindo uma detecção mais sensível de mudanças sutis associadas a doenças como o lúpus, fibromialgia e certos problemas cardíacos.

"Embora existam micro-ressonadores em modo galeria que já podem ser usados ​​para resolver moléculas individuais, sua aplicação é limitada por problemas na repetibilidade do dispositivo, estabilidade e faixa de comprimento de onda, "disse o líder da equipe de pesquisa Qinghai Song do Instituto de Tecnologia de Harbin, China. "Nosso novo design permite excelente desempenho do dispositivo que funciona com uma variedade de comprimentos de onda com baixo custo, maior estabilidade e melhor repetibilidade do dispositivo. "

No Optica , O jornal da Optical Society para pesquisas de alto impacto, os pesquisadores detalham sua nova configuração de injeção final, que oferece um simples, maneira econômica e eficiente de inserir luz no ressonador de microdisco. Eles também mostram que dispositivos que usam microdiscos e injeção final podem ser usados ​​para detectar mudanças de temperatura e a presença de nanopartículas.

O objetivo final dos pesquisadores é usar sua nova técnica de injeção final para criar um sensor portátil e de baixo custo que pode detectar mudanças nas células que são indicadores precoces de câncer. Contudo, eles apontam que a nova configuração de acoplamento de luz também pode ser útil para circuitos fotônicos integrados para aplicações de comunicação e uma variedade de sensores, como aqueles usados ​​em segurança interna ou monitoramento ambiental.

Usando a reversão do tempo

A maioria dos microdiscos é projetada de forma que a luz seja indiretamente injetada no microdisco usando um fenômeno óptico conhecido como acoplamento de luz evanescente. Contudo, este método requer um alinhamento muito preciso entre o guia de ondas e o microdisco, o que aumenta os custos de fabricação e torna os dispositivos suscetíveis a problemas de estabilidade.

A técnica de injeção final dos pesquisadores usa um guia de ondas que é conectado diretamente à borda do microdisco. Embora a luz que é exatamente perpendicular ao lado do disco reflita na interface, usar a luz com um ângulo ligeiramente menor do que o perpendicular induz um fenômeno contra-intuitivo conhecido como inversão de tempo do laser. Isso cria um laser que absorve luz em vez de emiti-la, permitindo que a luz entre com eficiência no microdisco.

"Como essa configuração não requer peças menores que 500 nanômetros, pode ser fabricado com técnicas de baixo custo, "disse Song.

Para testar seu design, os pesquisadores fabricaram um dispositivo que incluía um microdisco com um raio de 5 mícrons conectado a um guia de ondas. Para medir a injeção final de fogo, eles incorporaram um divisor em Y que permitiu que a luz que passasse pelo divisor fosse injetada no microdisco e, em seguida, transmitida para fora do microdisco ao longo do mesmo guia de ondas. O registro do espectro proveniente da junção Y mostrou que a luz poderia ser acoplada ao microdisco com uma eficiência de até 57 por cento.

Eles também mostraram que o dispositivo exibia um alto fator Q, uma medida de quão bem o microdisco confina e amplifica a luz. Além disso, o dispositivo manteve bons parâmetros de desempenho, mesmo com desvios de fabricação, como o aumento da largura do guia de ondas de 400 nanômetros para 700 nanômetros.

"Mostramos que o desempenho da técnica de injeção final é comparável ao dos microdiscos convencionais, mas com robustez aprimorada e custo reduzido, "disse Song." No geral, nossas descobertas mostram que os microdiscos agora estão prontos para aplicações comerciais. "

Os pesquisadores também demonstraram que sensores que incorporam microdiscos e injeção final podem detectar a presença de várias nanopartículas grandes, bem como nanopartículas únicas de até 30 nanômetros. Eles estão interessados ​​em usar vesículas derivadas de células com cerca de 40 a 100 nanômetros para detectar o câncer, que deve ser possível com base nesses resultados.

Os pesquisadores agora estão trabalhando em outras partes do dispositivo que seriam necessárias para usar a técnica de injeção final para criar um sensor portátil e de baixo custo que pode detectar indicadores precoces de câncer.