On-Chip Real-Time Chemical Sensors Based on Water-Immersion-Objective Pumped Whispering-Gallery-Mode Microdisk Laser

Abstract

Optical whispering-gallery-mode (WGM) microresonator-based sensors with high sensitivity and low detection limit down to single unlabeled biomolecules show high potential for disease diagnosis and clinical application. However, most WGM microresonator-based sensors, which are packed in a microfluidic cell, are a “closed” sensing configuration that prevents changing and sensing the surrounding liquid refractive index (RI) of the microresonator immediately. Here, we present an “open” sensing configuration in which the WGM microdisk laser is directly covered by a water droplet and pumped by a water-immersion-objective (WIO). This allows monitoring the chemical reaction progress in the water droplet by tracking the laser wavelength. A proof-of-concept demonstration of chemical sensor is performed by observing the process of salt dissolution in water and diffusion of two droplets with different RI. This WIO pumped sensing configuration provides a path towards an on-chip chemical sensor for studying chemical reaction kinetics in real time.

Spectral Modulation of Optofluidic Coupled-Microdisk Lasers in Aqueous Media

“…They need a reliable and flexible means for controlling the coupling strengths on chip. Optofluidic devices can integrate some functional fluids into optical or photonics devices [26,27]. Such fluids usually have high transmittance and tunable optical properties, e.g., the refractive index [28,29].…”

Dynamics and Applications of Photon-Nanostructured Systems

“…Such states could bear low detection limits, down to a single molecule and nanoparticles. An “open” sensing configuration with the whispering-gallery-mode microresonator-based sensor, to monitor chemical reaction progress in the water droplet, is discussed and supported by a proof-of-a concept demonstration by Lu et al [ 8 ]. This “open” configuration arrangement provides a real-time accuracy and sensitivity chemical/biochemical reaction kinetics platform.…”

Использование микродисковых лазеров с квантовыми точками InAs/InGaAs для биодетектирования

“…Распространяющееся по оптоволокну излучение перестраиваемого лазера поглощается микрорезонатором на частотах, соответствующих МШГ.Сдвиг частот МШГ и уменьшение их добротности преобразуется в измеряемый сигнал, который свидетельствует о присутствии биомолекул на поверхности МШГ. Положение микросферы и волокна относительно друг друга должно быть точно отрегулировано с помощью устройства нанопозиционирования, что приводит к усложнению конструкции и росту ее стоимости.Существенное упрощение конструкции биосенсора возможно за счет применения активного элементамикролазера, чувствительного к изменению параметров окружающей среды [9]. Использование в качестве активной области микролазеров квантовых точек InAs/InGaAs, синтезированных на подложках GaAs [16], обеспечивает сильную локализацию электронов и дырок и подавление латеральной диффузии носителей заряда к боковым поверхностям, тем самым предотвращается их безызлучательная рекомбинация.…”

“…Использование оптических микрорезонаторов с МШГ позволяет реализовать сверхмалый модовый объем и чрезвычайно высокую добротность [1]. Резонаторы с МШГ перспективны для множества практических приложений, среди которых низкопороговые лазеры [2,3], интегральные фотонные устройства [4,5], оптические сенсоры [6][7][8][9]. Также резонаторы с МШГ нашли применение в приборах оптомеханики [10,11] и нелинейной оптики [12][13][14].…”

“…Существенное упрощение конструкции биосенсора возможно за счет применения активного элементамикролазера, чувствительного к изменению параметров окружающей среды [9]. Использование в качестве активной области микролазеров квантовых точек InAs/InGaAs, синтезированных на подложках GaAs [16], обеспечивает сильную локализацию электронов и дырок и подавление латеральной диффузии носителей заряда к боковым поверхностям, тем самым предотвращается их безызлучательная рекомбинация.…”