Label-free biosensors based on whispering gallery mode (WGM) resonators have been continuously studied over the past decade in virtue of their high sensitivity and high-quality factor. However, there is still a considerable gap between its academic achievements and practical applications, which require not only high sensitivity but also low cost and ease of use. In this research, WGM resonator sensors integrated with microfluidic circuits are demonstrated in simple, practical form released from strict coupling scheme of tapered fibers, which have long been considered as an essential element but the main hurdle for real applications. By taking advantage of large absorption cross-section of silicon nanocluster, pump light exposed from the top of silicon-rich silicon nitride (SRSN) resonators can efficiently induce light emission spectrum peaks along with the resonant modes which are detected by a spectrometer through free-space optics. In addition, for the first time, we succeeded in acquiring the signal by exposing the LED pump light to the top of the resonator instead of the conventional laser, which significantly reduced the complexity and cost of the measurement setup. The shift of emission peaks revealing biomolecules into the measurable domain is around 6.5 times enhanced by a nano-gap structure, which strongly increases light-matter interaction by tightly confining the mode field in it.
The real-time detection of the streptavidin-biotin complex experiment using a developed sensor has shown 0.012 nm/nM sensitivity, improved over 20 times larger than the previously reported WGM sensors with remote readout. The real-time sensing experiments for nucleic acid of new infectious pathogens, such as ZIKV virus, and the bacterial species Brucella ovis have shown that a single copy of the nucleic acid can be detected within 10 minutes. Finally, we propose an alternative detection method for determining the concentration of a biomolecule based on the Langmuir adsorption model. We demonstrate that the proposed method determines the concentration relative to a reference sample with the required accuracy, with a single measurement at any point in time.
Whispering gallery mode(WGM) 공진기를 기반으로 한 광 바이오센서는 피검출체에 추가적인 라벨링 없이 고품위 값과 높은 민감도의 센서 구현이 가능하여, 지난 10년 동안 지속적으로 연구되어왔다. 그러나, 센서를 실제로 여러 분야에서 사용하기 위해서는 높은 성능과 더불어 낮은 비용과 사용 편의성이 요구되기 때문에, 그동안의 학문적 발전과 실용화 정도 사이에는 큰 차이가 존재했다. 이러한 한계를 극복하기 위해서 본 연구에서는 미세 유체 회로와 결합된 실용적인 형태의 온-칩 능동형 WGM 센서를 개발했다. 효율적인 능동형 공진기를 위해 SRSN(silicon-rich silicon nitride)를 기반으로 한 실리콘 나노 클러스터가 삽입된 공진기를 제작하였다. 제작된 공진기는 공진기 상단에 펌프 광을 노출시키면 SRSN 내부의 실리콘 나노 클러스터의 광 발광을 효율적으로 유도하게 되고, 이 신호는 자유 공간에서 공진기를 통하여 공진 모드와 함께 발광스펙트럼이 분광계에 의해 감지된다. 이렇게 개발된 능동형 광 공진기는 오랫동안 WGM 센서 실용화의 주요 장애물로 여겨졌던 광섬유의 까다로운 광 결합 방식에서 벗어난 단순하고 실용적인 형태로 시연 가능하게 되었다. 또한, 우리는 처음으로 기존의 레이저 대신 LED 펌프광을 공진기 상단에 노출시켜 발광스펙트럼을 얻고 이를 이용한 굴절률 센싱 실험에 성공하여 WGM 센서의 측정 셋업의 복잡성과 비용을 크게 줄이는데 기여했다. 더불어, 공진기에 삽입된 나노-갭 구조는 모드 필드를 강하게 집속하여 빛과 물질 간의 상호작용을 증가시켜 센서의 민감도를 약 6.5배 향상시켰다.
개발된 센서는 streptavidin-biotin 복합체의 실시간 검출 실험에서 0.012 nm/nM 감도를 보여주었으며, 이는 이전에 보고 된 원격 판독의 활성 공진기 센서보다 20배 이상 개선된 결과이다. 핵산 실시간 감지 실험에서는 ZIKV 바이러스 및 박테리아 종 Brucella ovis와 같은 새로운 감염성 병원체의 핵산 단일 사본을 10분 이내에 검출 가능함을 확인하였다. 마지막으로, Langmuir 흡착 모델에 기초하여 생체 분자의 농도를 결정하는 새로운 검출 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 어느 시점에서나 단일 측정만으로 필요한 정확도로 기준 샘플에 대한 농도를 제공한다.
