Laser & Optoelectronics Progress, Volume. 60, Issue 13, 1316001(2023)
Development and Application of Nano-Optogenetic Probes
Figures & Tables(14)
![Different kinds of photosensitive proteins with corresponding ion flow inside the channels[2]](/Images/icon/loading.gif){kind=icon}
Fig. 1. Different kinds of photosensitive proteins with corresponding ion flow inside the channels[2]
Fig. 2. Rigid optical fiber probe. (a) First successful in vivo experimental demonstration[66]; (b) a longer fiber and a shorter fiber set on the upper and lower sides of the shank, respectively[68]; (c) the use of image bundle with digital micromirror device or scanning galvanometer[69]; (d) tapered optical fiber based on the mode-division multiplexing[71]
Fig. 6. Waveguide-integrated probes. (a) Y splitter, four channels[99]; (b) grating couplers as emitters, 21 channels[100]; (c) directional coupler to splitting the light, nine channels[103]; (d) thermal optical switch, reconfigurable eight channels[104]; (e) light emission via passive micro-ring resonators[105]; (f) light delivery based on the theory of wavelength division multiplexing and demultiplexing, nine channels[41]; (g) the steer of the light beam achieved by OPA technology[106]; (h) FPR used in front of the OPA design[107]; (i) optical probes with several additional functions including optical stimulation, electrical recording and drug delivery[108]; (j) bicolor light emission[109-110]; (k) the optical probe based on the flexible Parylene C/PDMS substrate with the utilisation of micromirrors[112]; (l) optical cochlear implant based on the flexible SU-8/PMMA[113]
Fig. 7. Integrated electrophysiological recording probes. (a) Integrated electrodes, rigid optical fiber[68]; (b) integrated electrodes, rigid waveguide-integrated probe[122]; (c) integrated conductive cladding of the core, rigid optical fiber[123]; (d) conductive cladding attached to the optical waveguide, rigid μ-LED[84]; (e) flexible electrodes array attached to the silk fiber, flexible optical fiber[63];（f) light emission achieved through micromirrors without illuminating the electrodes, flexible waveguide-integrated[112]
Fig. 8. Integrated probes with delivery functions of biological and chemical signals. (a) Hollow struture designed to be microfluidics channels and formed via the thermal drawing process, flexible optical fiber[133]; (b) microfluidic and other functional channels surrounded by hydrogel, flexible optical fiber[134]; (c) microfludic channels formed via the sandwiched two PDMS layers, flexible μ-LED[135]
Table 1. Several kinds of rigid optical fiber probes and their parameters
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Year［Ref.］ Material（refractive index n /numerical aperture NA） Dimension Output light
intensity /（mW·mm-1）
Number of channels Working wavelength
/nm Experiment
condition
2007［ 66 ］Silica（NA=0.37） 200 μm（core diameter） 380 1 473 In vivo 2008［ 67 ］Silica/silicone resin 28 μm（core diameter），
750 μm（total diameter）
- - 450-492 In vivo 2010［ 68 ］NA=0.13 3.5 μm（core diameter），
125 μm（fiber diameter），
5-20 μm（after etching fiber diameter），
250 μm（shank separation）
>150 1，2 473，561 In vivo 2013［ 69 ］nSiON=1.53，
nSiO2=1.46
8 μm（core diameter），
9.5 mm（bundle diameter），
9 μm×60 μm（output aperture）
148±56，
200
- 473 - 2015［ 70 ］NA=0.64 70 μm（core diameter） 12 - 473 In vitro 2014［ 71 ］n1=1.464，
n2=1.447
50 μm（core diameter），
125 μm（fiber diameter），
25 μm×25 μm（window size）
>160 2，3，7 473，593 In vivo
Table 2. Several kinds of flexible optical fiber probes and their parameters
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Year［Ref.］ Material（refractive index n/numerical aperture NA） Stiffness
（Young’s modulus）
Dimension
（fiber diameter
/ μm）Working wavelength /nm Experiment
condition
2018［ 76 ］nalginate-PAAm hydrogel=1.3454－1.3533 48.234-90.849 kPa 75，150，300 472 In vivo 2018［ 77 ］npoly（l-lactic acid）=1.47 3-5 GPa，
1.5×104 N /m
（bending stiffness）
220 473，488 In vitro，
In vivo
2021［ 51 ］nPDMS=1.4109，
npoly（vinyl alcohol）/poly（acrylic acid）hydrogel=1.3440
1.22 MPa 200 472 In vivo 2022［ 63 ］Silk 3.53-38.7 MPa 200 465 In vitro，
in vivo
Table 3. Several kinds of rigid μ-LED probes and their parameters
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Year［Ref.］ Material（LED/wafer） Dimension Output light
intensity /（mW·mm-1）
Number of channels Working wavelength
/nm Light delivery
efficiency /%
Experiment
condition
2010［ 81 ］GaN/sapphire 20 μm（LED diameter），
50 μm（LED separation）
250 64×64 470±22 - In vitro 2014［ 82 ］InGaN/SiC
glass（optical fiber）
105 μm（core diameter），
125 μm（fiber diameter）
0.89-1.28 3×3 456 0.88
1.27
- 2019［ 83 ］GaN/sapphire 80 μm×80 μm（LED size），
1.5 mm（needle length），
75 μm×75 μm（needle base size），
400 μm（needle pitch）
>80 181 450 - In vivo 2013［ 85 ］GaN/sapphire 1.3 mm×80 μm（tip size），
40 μm（LED diameter），
250 μm（LED separation）
350，600 5×1 446±17，
443±21
2 - 2015［ 44 ］GaN/Si 10 μm×15 μm（LED size），
60 μm（LED separation），
250 μm（shank separation），
70 μm×5 mm（shank width×shank length）
353 4×3 460 0.87 In vivo
Table 4. Several kinds of flexible μ-LED probes and their parameters
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Year［Ref.］ Material（LED/substrate） Dimension Output light
Intensity /（mW·mm-1）
Number of channels Working wavelength
/nm Light
delivery
efficiency /%
Experiment
condition
2013［ 22 ］GaN/PDMS 50 μm×50 μm（LED size），
20 μm（probe thickness），
400 μm（probe width）
17.7，
23.5
4×1 450 - In vivo 2014［ 89 ］-/SU-8 0.55 mm×0.29 mm×0.1 mm（LED size），
4.2 mm（shank length），
0.86 mm（shank width），
0.28 mm（shank thickness）
0.8 1 450-460 - In vivo 2012［ 90 ］InGaN/PI 1 mm×0.6 mm×0.2 mm（LED size），
12 mm（shank length），
900 μm（shank width）
0.7 1 465 - In vivo 2019［ 91 ］GaN/Parylene C 22 μm×22 μm（LED size），
1 mm（shank width）
>1 32 445 6.5 In vitro 2018［ 92 ］GaN/epoxy 50 μm×50 μm（LED size），
1.5 cm（shank length），
350 μm（shank width），
26 μm（shank thickness）
407 144 462 - - 2022［ 64 ］InGaP+InGaN/PI 125 μm×180 μm（LED size），
120 μm（shank thickness），
320 μm（shank width）
50，
200
1 630，
480
- In vitro，in vivo
Table 5. Several kinds of rigid waveguide-integrated probes and their parameters
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Year［Ref.］ Material（waveguide/ substrate） Dimension Output light
Intensity /（mW·mm-1）
Number of channels Working wavelength
/nm Light
delivery
efficiency /%
Experiment
condition
2010［ 98 ］SU-8/Si 5 μm（waveguide thickness），
80 μm（shank width），
12 μm（shank thickness）
>60 1 475 12.4 - 2014［ 99 ］SU-8/Si 30 μm×20 μm（waveguide cross-section），
86 μm（shank width），
30 μm（shank thickness）
500-583 4 475 2 In vivo 2019［ 100 ］SiN/Si 340 nm×135 nm（waveguide cross-section），
4 mm（shank length），
100 μm（shank width），
92 μm（shank thickness），
10 μm×20 μm（grating size）
- 21 430-645 - - 2016［ 103 ］SiN/Si 400 nm×200 nm（waveguide cross-section），
0.7 cm（shank length），
90 μm（shank width），
20 μm×15 μm（grating size）
630 3×3 473 24.4 - 2020［ 104 ］SiN/Si 350 nm×200 nm（waveguide cross-section），
250 μm×100 μm（tip size），
20 μm×20 μm（grating size）
15 4，8 473 - In vivo 2021［ 105 ］SiN/Si 250 nm×160 nm（waveguide cross-section），
45 nm×20 μm（tip size），
5 μm×10 μm（grating size）
100 5 449-452.5 ~0.375 In vitro，invivo 2017［ 41 ］SiN/Si 240 nm×200 nm（waveguide cross-section），
20 μm（shank width），
18 μm（shank thickness），
10 μm×10 μm（grating size）
- 9 473 - In vivo 2019［ 106 ］SiN/Si 240 nm×200 nm（waveguide cross-section），
3 mm（shank length），
50 μm（shank width），
18 μm（shank thickness），
30 μm×10 μm（grating size）
- 4×4 484.3-491 - In vitro 2021［ 107 ］SiN/Si 200 nm（waveguide thickness），
4 mm（shank length），
100 μm（probe thickness），
150 μm×100 μm（slab size）
- 4 460-492 - - 2019［ 108 ］SU-8/Si 40 μm×15 μm（waveguide cross-section），
128 μm（shank width），
40 μm（shank thickness）
167 1 473 1.4 In vivo 2016［ 109 ］SiON/Si 30 μm×7 μm（waveguide cross-section） 1928，2905 1 405，635 6.75，10.2 In vivo 2018［ 110 ］SiON/Si 30 μm×7 μm（waveguide cross-section），
70 μm（shank width），
22 μm（shank thickness）
1714，2523 4 405，635 5，8.2 In vivo
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Yiheng Tang, Yang Weng, Zequn Chen, Xiaojing Li, Ke Si, Wei Gong, Hongtao Lin, Lan Li. Development and Application of Nano-Optogenetic Probes[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(13): 1316001
Paper Information
Category: Materials
Received: Jun. 1, 2023
Accepted: Jun. 21, 2023
Published Online: Jul. 28, 2023
The Author Email: Li Lan (lilan@westlake.edu.cn)
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