Использование микродисковых лазеров с квантовыми точками InAs/InGaAs для биодетектирования

Abstract

Показана возможность использования для биодетектирования микродисковых лазеров диаметром ∼ 10 µm с активной областью на основе квантовых точек InAs/InGaAs, синтезированных на подложках GaAs. В качестве детектируемого объекта использовались химерные моноклональные антитела к белку CD20, ковалентно прикрепляемые к поверхности микродисковых лазеров, работающих при оптической накачке и комнатной температуре в водной среде. Показано, что присоединение вторичных антител приводит к увеличению пороговой мощности лазерной генерации, а также к увеличению полуширины резонансной лазерной линии. Ключевые слова: биосенсор, полупроводниковый лазер, микродисковый лазер, квантовые точки, фотолюминесценция. Моды шепчущей галереи (МШГ) в микрорезонаторах названы по аналогии с акустическими волнами, которые распространяются вдоль стены одноименной галереи собора Св. Павла в Лондоне. 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 [6-9]. Также резонаторы с МШГ нашли применение в приборах оптомеханики [10,11] и нелинейной оптики [12-14]. Основной механизм детектирования одиночной биомолекулы МШГ-биосенсором [2] основан на изменениях резонансной длины волны и/или полуширины резонансной линии, что вызвано возмущением, которое оказывает частица на моду микрорезонатора. В настоящее время для детектирования биомолекул в основном используются диэлектрические микросферы, являющиеся пассивными МШГ-резонаторами [15]. В непосредственной близости от микросферы располагается оптическое волокно, по которому распространяется излучение перестраиваемого лазера. Расстояние между микросферой и волокном должно быть очень малым (∼ 100 nm) для обеспечения взаимодействия быстроспадающего электромагнитного поля МШГ с волокном. 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. В таких микролазерах диаметром 6 µm, погруженных в водную среду, была реализована лазерная генерация при оптической накачке и комнатной температуре [17],...