Synthèse et exploitation des Fluorescent-core Microcavités de détection réfractométrique

Systèmes de détection des produits chimiques qui nécessitent des volumes d'échantillons que les petites et qui peuvent être incorporés dans des dispositifs portatifs ou sur le terrain exploitable pourrait conduire à l'élaboration d'un large éventail de nouvelles technologies. Ces technologies pourraient comprendre des diagnostics sur le terrain pour les maladies et les agents pathogènes, ^{1, 2} contaminants de l'environnement et la sécurité alimentaire. ³ Plusieurs technologies sont actuellement à l'étude pour les capteurs chimiques microfluidiques, avec des dispositifs basés sur la physique des résonances plasmons de surface (SPR) parmi les plus avancés. ⁴ Ces capteurs sont désormais capables de détecter de nombreuses biomolécules spécifiques et ont obtenu un succès commercial, mais surtout le matériel de laboratoire à grande échelle ^5.

Ces dernières années, les microcavités optiques ont augmenté de rivaliser avec les systèmes SPR. Microcavités peuvent être étonnamment sensible, avec la capacité démontrée pour détecter les virus simples ⁶ et peut-être même des biomolécules simples <sup> 7 (celle-ci reste l'objet d'un débat, ⁸ mais il ne fait aucun doute que les limites de détection de masse sont de ⁹ petits). Dans les microcavités, le mécanisme de détection repose sur des changements dans les résonances optiques provoqués par la présence d'un analyte dans le profil de champ électrique de la résonance. En règle générale, un analyte donné provoquera la résonance à changer la fréquence centrale, la visibilité ou la largeur de raie. Comme pour les systèmes SPR, microcavités peuvent agir en tant que non-spécifiques capteurs réfractométriques, ou en tant que biocapteurs fonctionnalisés pour une analyse spécifique.

Microstructures diélectriques avec une section transversale circulaire (par exemple, des microsphères, des disques ou des cylindres) sont caractérisées par des résonances électromagnétiques connus comme les modes de galerie, ou WGMS, un terme qui remonte à des enquêtes de Lord Rayleigh d'effets acoustiques analogues ^10. Essentiellement, un WGM optique se produit quand une onde transversale circulaire fait le tour du section par réflexion interne totale, et revient à son point de départ en phase. Un exemple d'une résonance électromagnétique pour une microsphère de silice est illustré dans la figure 1a. Cette résonance est caractérisé par un maximum dans la direction radiale (n = 1), alors qu'un total de 53 longueurs d'onde s'adapter autour de l'équateur (L = 53), dont une partie seulement sont représentés. La partie évanescente de l'intensité de champ s'étend dans le milieu extérieur de la sphère limite; ainsi la WGM microsphère peut détecter le milieu extérieur.

Les capillaires sont un exemple particulièrement intéressant d'un capteur à base de WGM. Dans un capillaire, WGMS cylindriques peuvent se former autour de la section transversale circulaire, similaire au cas d'une sphère. Si la paroi capillaire est très mince, une partie du champ électromagnétique pénètre dans le canal capillaire (figure 1b). Ainsi, un tube capillaire peut être un capteur microfluidique pour des analytes injectés dans le canal. Il s'agit de la basis de fonctionnement de l'anneau de noyau liquide résonateur optique (LCORR). LCORRs ¹¹ reposent sur ​​le couplage évanescent de la lumière provenant d'une source laser accordable précision pour sonder les WGMS. Un aspect important de la LCORR est que les parois des capillaires doit être mince (~ 1 um) afin de s'assurer que les échantillons de mode du milieu du canal. Cela met quelques difficultés sur leur fabrication et les amène à être mécaniquement fragile.

Dans notre travail, nous avons développé une structure alternative que nous appelons une microcavité cœur fluorescent (FCM). ^12,13 Pour former un FCM, nous enduire les parois du canal d'un capillaire avec un fluorophore haut indice de réfraction (plus précisément, une couche de d'oxyde de silicium incorporés points quantiques). L'indice élevé du film est nécessaire de limiter le rayonnement émis, pour constituer les WGMS (figure 1c). Contrairement à la LCORR, dans un FCM modes apparaissent aussi nette maxima dans un spectre de fluorescence émise. L'épaisseur de lafilm est d'une importance capitale, si elle est trop épaisse, la WGM ne pas goûter à la moyenne dans le canal capillaire, et si elle est trop mince le confinement optique est perdu et les WGMS devient faible. Ainsi, la fabrication d'une carte FCM est un processus difficile, nécessitant une préparation minutieuse. C'est le thème principal de la présente étude.