3D-geprinte microlasersensoren bieden supercharged biosensing

Onderzoekers hebben een 3D-micro-gedrukte sensor ontwikkeld voor zeer gevoelige biosensing op het chip. De sensor, gebaseerd op een polymeerflisping-gallery-mode microlaser, biedt nieuwe kansen voor het ontwikkelen van krachtige, kosteneffectieve lab-on-a-chip apparaten voor vroege ziektediagnose.

“In de toekomst kunnen deze fluisterende gallery-mode microlasersensoren worden geïntegreerd in een microfluïdische chip om een ​​nieuwe generatie lab-op-chip-apparaten mogelijk te maken voor ultrasgevoelige kwantitatieve detectie van meerdere biomarkers,” zei onderzoeksteamleider A. Ping Zhang van Hong Kong Polytechnic University in Hong Kong, China.

“Dit kan worden gebruikt voor vroege diagnose van ziekten zoals kankers en de ziekte van Alzheimer of voor het bestrijden van grote gezondheidscrises, zoals de Covid-19-pandemie.”

In het dagboek Optische lettersonderzoekers beschrijven Hun nieuwe Microlaser Sensor-ontwerp, dat veel van de uitdagingen overwint die het moeilijk hebben gemaakt om dit type sensor te integreren in lab-on-a-chip-systemen die kunnen worden gebruikt voor medische point-of-care-tests.

De onderzoekers tonen ook aan dat de unieke limacon-vormige schijfmicrocavity van de sensor de detectie van extreem kleine concentraties van menselijke immunoglobuline G (IgG) mogelijk maakt, een gemeenschappelijk antilichaam dat wordt gevonden in bloed en andere lichaamsvloeistoffen.

“Deze innovatieve microlasersensor was mogelijk vanwege onze interne 3D-micro-printtechnologie,” zei Zhang. “Het maakt snel afdrukken van de speciaal ontworpen 3D Whispering-gallery-mode microcavity en zeer nauwkeurige snijmen van de gesuspendeerde microdisk.”

Microlaser -sensoren op een chip krijgen

Optische Whispering-gallery-modus Microlaser-sensoren werken door licht in kleine microcavities te vangen. Wanneer de doelmoleculen aan de holte binden, veroorzaken ze lichte veranderingen in de frequentie van de laser, waardoor zeer gevoelige biodetectie mogelijk is.

Een uitdaging bij het gebruik van deze sensoren in real-life toepassingen is dat het koppelen van licht er typisch een taps toelopende optische vezel met een diameter van kleiner dan 2 micron voor vereist. Zulke kleine vezels zijn moeilijk uit te lijnen en vatbaar voor verschillende omgevingsstoornissen. Dit heeft een barrière gesteld voor het integreren van dergelijke microlasersensoren in lab-op-a-chip-apparaten voor realtime, hoge gevoeligheidsdetectie van biomoleculen.

Het gebruik van het licht dat uit de microlasersensor zelf wordt uitgezonden, is een veelbelovend alternatief om het te leveren via taps toelopende optische vezels, maar de cirkelvormige microcavities van conventionele fluisterende gallery-mode microlasers maken het moeilijk om het licht efficiënt te verzamelen. Dit beperkt hoe goed het signaal van de sensor kan worden gelezen.

Printing Precision Biosensors

Om dit probleem op te lossen, ontwierpen de onderzoekers een fluisterende gallery-modus microlasersensor met een limaconvormige gesuspendeerde microdisk. Dit ontwerp geeft de sensor een las-drempel en produceert directionele lichtemissie, verbetert de efficiëntie en maakt on-chip integratie praktischer.

Met behulp van hun interne 3D-micro-printtechnologie, die de voordelen heeft van een hoge resolutie en hoge flexibiliteit, konden de onderzoekers snel arrays van fluisterende gallery-modus microlaser biosensoren afdrukken.

Experimenten toonden aan dat de biosensoren een zeer lage lasrempel van 3,87 μj/mm vertoonden² en een smalle laseringslijnbreedte van ongeveer 30 pm. De sensoren konden IgG detecteren met een limiet van alleen attogrammen per milliliter, wat hun potentieel voor ultralow detectie van biomarkers die werden gebruikt bij vroege ziektediagnose aantoonden.

Vervolgens zijn de onderzoekers van plan om de microlasersensoren te integreren in een microfluïdische chip om optoFluïdische biochips te ontwikkelen die kunnen worden gebruikt voor snelle en kwantitatieve detectie van meerdere ziektebiomarkers tegelijkertijd.