В предыдущих устройствах из лаборатории Шмидта оптические функции были встроены в кремниевые микросхемы с использованием той же технологии производства, что и компьютерные микросхемы. Новое устройство полностью изготовлено из полидиметилсилоксана (PDMS), мягкого, гибкого материала, используемого в микрофлюидике, а также в таких продуктах, как контактные линзы и медицинские устройства.
«Теперь мы можем использовать этот метод изготовления для создания универсального устройства, которое позволяет нам выполнять обработку биологических образцов и оптическое обнаружение на одном чипе», — сказал Шмидт, профессор оптоэлектроники в Капани и директор Центра наномасштабов WM Keck. Optofluidics в Калифорнийском университете в Санта-Крус.Гибкость PDMS позволяет использовать новые способы управления светом и жидкостями на кристалле.
Используя методы многослойной мягкой литографии, старший аспирант Джошуа Паркс построил микросхемы, содержащие как твердые, так и полые волноводы для направления световых сигналов, а также микроклапаны с жидкостным потоком для управления движением жидких образцов. Шмидт и Паркс также разработали специальный микроклапан, который функционирует как «световой клапан», контролируя поток как света, так и жидкостей.
«Это открывает совершенно новый набор функций, которые мы не могли сделать на кремниевом чипе», — сказал Шмидт. «Световой клапан — самый захватывающий элемент. В дополнение к простому двухпозиционному переключателю мы построили подвижную оптическую ловушку для анализа биологических частиц, таких как вирусы или бактерии».
Паркс и Шмидт сообщили о результатах первоначальных экспериментов с новым устройством в статье, опубликованной 6 сентября в журнале Nature Scientific Reports.В предыдущем исследовании Шмидт, Паркс и его коллеги из BYU и Калифорнийского университета в Беркли продемонстрировали гибридное устройство, в котором микрожидкостный чип PDMS для пробоподготовки был интегрирован с кремниевым оптофлюидным чипом для оптического обнаружения вирусных патогенов.
Новое устройство сочетает в себе обе функции на одном чипе. Кроме того, сказал Шмидт, материалы относительно недорогие, что позволяет быстро создавать прототипы устройств.«Мы можем выполнить всю цепочку изготовления здесь, в нашей лаборатории, и мы можем очень быстро изготавливать новые устройства», — сказал он.
Шмидт сказал, что потенциальные применения этой технологии включают широкий спектр биологических датчиков и аналитических устройств. Для вирусных диагностических тестов, например, флуоресцентно меченные антитела могут быть использованы для маркировки определенных вирусных штаммов для оптического обнаружения. В недавней статье Шмидт и его коллеги продемонстрировали обнаружение и идентификацию различных штаммов флуоресценции с помощью детектирования флуоресценции в многомодовом интерференционном волноводе (MMI). С помощью нового устройства они показали, что могут активно настраивать волновод MMI на кристалле.
Динамическая настройка оптико-жидкостного устройства достигается путем приложения давления к оптико-жидкостному каналу, изменяя его размеры и тем самым изменяя его фотонные свойства. «Мы действительно можем настроить точечный рисунок, созданный в канале с помощью интерференционного волновода, чего мы не могли сделать с кремниевым чипом», — сказал Шмидт.