uma, Monitoramento de célula única com microlaser intracelular. b, Arranjo 3D de miofibrilas em torno de microesferas em cardiomiócitos neonatais (CMs). Núcleo celular (magenta) e microlaser (verde). c, Espectro WGM de um microlaser e seu deslocamento. d, Microlaser anexado ao átrio de um coração de peixe-zebra. e, Mudança do índice de refração entre a fase de repouso, diástole, e o pico de contração, sístole, para 12 células individuais. f, Microlaser extracelular em cima de um MC adulto. Barra de escala 30 μm. g, Traço de um MC neonatal de batimento espontâneo durante a administração de 500 nM de nifedipina. Adaptado com permissão de Schubert M. et al. Monitoramento da contratilidade no tecido cardíaco com resolução celular utilizando microlasers biointegrados. Nature Photonics 14, 452-458, (2020). Crédito:Nikita Toropov, Gema Cabello, Mariana P. Serrano, Rithvik R. Gutha, Matías Rafti, Frank Vollmer
Microrressonadores Whispering-gallery-mode (WGM) estão abrindo muitas novas direções de pesquisa que permitem a detecção de proteínas, enzimas e DNA, até moléculas individuais. Uma nova classe de sensores faz uso de microrressonadores ativos para expandir drasticamente a funcionalidade e a gama de aplicações de sensores WGM, especialmente para ensaios biológicos e químicos. Revisamos os avanços mais recentes dos microlasers WGM para biossensor e fornecemos uma visão geral de novas e empolgantes direções de pesquisa e aplicações emergentes de sensores WGM.
Sensores ópticos sem etiqueta baseados em microrressonadores ópticos de modo de galeria silenciosa (WGM) exibem sensibilidade extraordinária para detecção física, químico, e entidades biológicas, até mesmo em moléculas individuais. Este avanço na detecção óptica sem etiqueta é possibilitado pela aplicação do microrressonador óptico, ou seja, microesferas de vidro de 100 um, como cavidade óptica para aumentar o sinal de detecção. Semelhante a um microespelho esférico, a cavidade WGM reflete a luz por reflexão interna quase total e, assim, cria várias passagens de cavidade que aumentam a detecção óptica de moléculas de analito interagindo com o campo evanescente.
Em contraste com os microrressonadores WGM 'frios', os emergentes microlasers WGM ativos têm o potencial de expandir significativamente o número de aplicações possíveis desta classe de sensores em detecção biológica e química, e especialmente em detecção in vivo. Os microlasers WGM podem detectar de dentro do tecido, organismos e células individuais, e podem ser usados para melhorar os já impressionantes limites de detecção de molécula única dos sensores optoplasmônicos WGM de cavidade 'fria'.
Aqui, revisamos os avanços mais recentes dos microlasers WGM em biossensor. Em contraste com os sensores WGM de cavidade 'fria', os microrressonadores WGM ativos usam meios de ganho, como moléculas de corante e pontos quânticos, para compensar a perda óptica e obter o lasing dos modos WGM. Semelhante a outros lasers convencionais, lasing é observado a partir de linhas espectrais estreitas nos espectros de emissão WGM.
Revisamos os principais blocos de construção dos microlasers WGM, recentemente demonstrado mecanismos de detecção, os métodos para integração de mídia de ganho em sensores WGM, e as perspectivas de sensores WGM ativos para se tornarem uma tecnologia útil em aplicações do mundo real. Revisamos os experimentos de detecção de microlaser WGM no nível molecular, onde os espectros de laser são analisados para estudar a ligação de moléculas, à detecção no nível celular onde os microlasers são incorporados ou integrados com células individuais para permitir novas aplicações de detecção in vivo e rastreamento de célula única (veja a figura).
