Advanced Photonics: Ученые разметили живые клетки микродисковыми лазерами

Микро- и нанодисковые лазеры в последнее время стали перспективными оптическими источниками и датчиками для различных приложений в области нанофотоники и биомедицины. Их способность достигать детерминированной длины волны и ультранизкополосной точности излучения имеет решающее значение для ряда приложений в области фотонных коммуникаций на кристалле, биовизуализации на кристалле, биохимического зондирования и квантовой фотонной обработки информации.

Однако крупномасштабное изготовление микро- и нанодисковых лазеров с такой точной длиной волны остается сложной задачей. Существующие процессы нанофабрикации вносят случайность в диаметр диска, что затрудняет получение детерминированных длин волн в партиях лазеров.

Решая эту проблему, группа исследователей из Гарвардской медицинской школы и Центра фотомедицины Веллмана Массачусетской больницы разработала инновационную методику фотоэлектрохимического (ФЭХ) травления, позволяющую точно настраивать длину волны излучения микродисковых лазеров с субнанометрической точностью. Работа опубликована в журнале Advanced Photonics с открытым доступом.

Новый подход позволяет изготавливать партии микро- и нанолазеров с точной и заранее заданной длиной волны излучения. Ключ к этому прорыву лежит в использовании PEC-травления, которое предлагает эффективный и масштабируемый способ точной настройки длины волны микродисковых лазеров.

В своей работе команда успешно получила микродиски из фосфида индия-галлия-арсенида, покрытые SiO2, на столбчатых структурах из фосфида индия. Затем они точно настроили длины волн свечения этих микродисков до детерминированных значений, выполнив фотоэлектрохимическое травление в разбавленном растворе серной кислоты. Также были исследованы механизм и кинетика, лежащие в основе специфического ПЭХ-травления. Наконец, они перенесли массивы микродисков с настройкой длины волны на подложку из полидиметилсилоксана, получив отдельно стоящие изолированные лазерные частицы с разными длинами волн. Полученные микродиски демонстрировали лизинг с ультраширокой полосой пропускания менее 0,6 нм для лазеров на столбах и менее 1,5 нм для изолированных частиц.

Этот результат открывает двери для многих новых нанофотонных и биомедицинских приложений. Например, отдельно стоящие микродисковые лазеры могут служить физическими оптическими штрих-кодами для гетерогенных биологических образцов, позволяя помечать конкретные типы клеток и нацеливать на них определенные молекулы в мультиплексных анализах.

В настоящее время для мечения клеток используются традиционные биомаркеры, такие как органические флуорофоры, квантовые точки и флуоресцентные шарики, которые имеют широкую ширину полосы излучения. В результате одновременно могут быть помечены только несколько конкретных типов клеток. Напротив, микродисковые лазеры с их сверхширокополосным излучением позволят одновременно идентифицировать большее число типов клеток.

В связи с этим группа исследователей провела испытания и успешно продемонстрировала применение точно настроенных микродисковых лазерных частиц в качестве биомаркеров, используя их для мечения живых нормальных эпителиальных клеток молочной железы MCF10A в культуре. Благодаря сверхширокополосному излучению эти лазеры могут произвести революцию в биосенсинге, осуществляемом с помощью хорошо известных биомедицинских и оптических методов, таких как визуализация динамики клеток, проточная цитометрия и мультиомический анализ.

Метод, основанный на травлении ПЭК, является значительным прогрессом в области микродисковых лазеров. Масштабируемость метода и его субтоннажная точность открывают новые возможности для многочисленных применений таких лазеров в нанофотонных и биомедицинских устройствах, а также для штрихового кодирования конкретных клеточных популяций и анализируемых молекул.

03.09.2023