新型光传输技术用于改进生物传感器

实用的基于芯片的生物传感器目前的需求正越来越大，这些芯片可在护理点用于检测癌症和其他疾病。一种将光注入微型硅微盘的创新方法可以通过降低成本和改善芯片基生物传感器的性能来满足这一需求。这一进展最终可能导致一种便携式和低成本的早期癌症诊断光学传感器。

微盘是一种微型的谐振器，它使用回音壁光学效应来限制和增强进入盘中的光。正如一个回音壁的弯曲壁携带声波，以允许耳语在房间中被清楚听到，微盘的弯曲内表面携带光波穿过圆盘，增强光。这使得微盘能够促进来自细胞、蛋白质或感兴趣的病毒的光信号，允许更敏感地检测与狼疮、纤维肌痛和某些心脏问题等疾病相关的细微变化。

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一种新的端射注入技术使用直接连接到微盘边缘的波导（W）制作而成。一种称为激光时间反转的现象产生了一种激光，它吸收光而不是发射光，从而使光有效地进入微盘，它利用回音壁光学效应限制和增强进入光盘的光。

“虽然有回音壁模式微谐振器，已经可以用来解决单分子，其应用是由装置重复性问题有限，稳定性和波长范围，”来自哈尔滨工业大学研究小组组长Qinghai Song说。“我们的新设计使器件性能优异，具有多种波长，成本低，稳定性高，器件重复性好的特点。”

在光学协会的高影响研究杂志《Optica》杂志上，研究人员详细介绍了他们的新的端射注入配置，这提供了一种简单，成本效益和有效的方式来获得光进入微盘谐振器。他们还表明，使用微盘和端火注射的装置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的新的末端注射技术来制造一种便携式和低成本的传感器，它能检测出早期癌症指标的细胞变化。然而，他们指出，新的光耦合配置也可以用于集成的光子电路，用于通信应用和各种传感器，例如国土安全或环境监测中使用的传感器。

这种扫描电子显微镜图像显示了一个装置的俯视图，该装置包括一个连接到波导的具有5微米半径的微盘。为了测量端部的火焰注入，它们引入了Y分光镜，允许通过分光镜的光被注入到微盘中，然后沿着相同的波导从微盘传输出去。研究人员发现，光可以耦合到微盘，效率高达57%。图片来源：哈尔滨工业大学。

使用时间反转

大多数微盘被设计成使用一种称为倏逝光耦合的光学现象将光间接地注入到微盘中。然而，这种方法需要在波导和微盘之间非常精确的对准，这增加了制造成本并使器件容易受到稳定性问题的影响。

研究人员的端火注入技术使用直接连接到微盘边缘的波导。虽然光垂直于圆盘侧的光会从界面反弹，但光的角度仅略小于垂直，则会产生一种称为激光时间反转的反直观现象。这就产生了一种吸收光而不是发射光的激光器，从而使光有效地进入微盘。

Song说：“因为这种结构不需要任何小于500纳米的零件，所以可以用低成本的技术制造。”

为了测试他们的设计，研究人员制作了一个装置，包括一个半径为5微米的微圆盘与波导相连。为了测量端射注入，它们引入了Y分光镜，允许通过分光镜的光被注入到微盘中，然后沿着相同的波导从微盘传输出去。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%。

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上图所示是研究人员创建的基于芯片的设备，包括微盘和它们的新的端射-注入耦合技术。新的光传输技术可以降低芯片生物传感器的成本，提高芯片的性能。

他们还表明，该装置表现出很高的Q因子，即微盘限制和放大光的度量。此外，即使在制造偏差，如增加波导宽度从400纳米到700纳米，器件仍保持良好的性能参数。

Song说：“我们表明，端火注入技术的性能与传统的微盘相媲美，但具有改进的鲁棒性和降低的成本。总的来说，我们的研究结果表明，微盘现在已经准备好用于商业应用。”

研究人员还表明，传感器结合微盘和端火注射可以检测到多个大的纳米粒子以及单个纳米颗粒的存在，只要30纳米。他们感兴趣的是使用大约40-100纳米的细胞衍生囊泡来检测癌症，基于这些结果应该是可能的。

研究人员正在研究该设备的其他部分，需要使用末端端射技术来制造一种便携式和低成本的传感器，可以检测癌症的早期指标。

原文来源：https://phys.org/news/2018-05-light-delivery-technique-biosensors.html（实验帮译）

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