Højfølsomme nanofotoniske sensorer med passiv indfangning af analytmolekyler i hot-spots

Optiske sensorer kan kvantitativt analysere kemiske og biologiske prøver ved at måle og behandle de optiske signaler produceret af prøverne. Optiske sensorer baseret på infrarød absorptionsspektroskopi kan opnå høj følsomhed og selektivitet i realtid, og spiller derfor en afgørende rolle inden for en række anvendelsesområder såsom miljøføling, medicinsk diagnostik, industriel proceskontrol og homeland security.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer, et hold af videnskabsmænd, ledet af Dr. Peter Q. Liu fra Institut for Elektroteknik, State University of New York i Buffalo, har demonstreret en ny type højtydende optisk sensor, som kan udnytte væskens overfladespænding til at koncentrere og fange analytmolekyler på de mest følsomme steder i enhedens struktur, og dermed øge følsomhedsydelsen betydeligt. Baseret på en metal-isolator-metal sandwich-struktur, som også har skyttegrave i nanometerskala, sensoren kan passivt tilbageholde og koncentrere en analytopløsning i disse små skyttegrave, når opløsningen gradvist fordamper på sensoroverfladen, og til sidst fælde de udfældede analytmolekyler inde i disse skyttegrave. Da lysintensiteten også er stærkt forbedret i disse skyttegrave ved design, interaktionen mellem lys og de fangede analytmolekyler forstærkes drastisk, fører til et let detekterbart optisk signal (dvs. ændringer i lysabsorptionsspektret) selv ved picogramniveau af analytmasse.

Generelt, forskellige molekylære arter absorberer infrarødt lys ved forskellige frekvenser, og derfor kan man identificere og kvantificere de påviste molekyler ved at analysere de observerede absorptionslinjer i spektret. Selvom en sådan molekylær absorption i sig selv er svag, optiske sensorer kan drastisk forbedre den molekylære absorption ved at anvende passende nanostrukturer på enhedens overflade til at begrænse lyset i meget små volumener (såkaldte hot-spots), hvilket fører til meget stor lysintensitet. Derved, hvert molekyle i hot-spots kan absorbere meget mere lys i et givet tidsinterval end et molekyle uden for hot-spots, som gør det muligt at måle meget små mængder af kemiske eller biologiske stoffer med høj pålidelighed, hvis der er nok molekyler i hot-spots. Denne generelle fremgangsmåde kaldes også overfladeforbedret infrarød absorption (SEIRA).

Imidlertid, et nøgleproblem for de fleste SEIRA optiske sensorer er, at hot-spots kun optager en lille del af hele enhedens overfladeareal. På den anden side, analytmolekylerne er normalt tilfældigt fordelt på enhedens overflade, og derfor er kun en lille del af alle analytmolekyler placeret i hotspots og bidrager til den forbedrede lysabsorption. "SEIRA-signalet ville være meget større, hvis de fleste af analytmolekylerne kan afgives til hot-spots af en optisk sensor. Dette er hovedmotivationen for vores optiske sensordesign." Dr. Liu sagde.

"Der er teknikker, såsom optisk pincet og dielektroforese, som kan manipulere små partikler eller endda molekyler og levere dem til målsteder såsom hot-spots. Imidlertid, disse teknikker kræver en betydelig mængde energiinput og er også komplicerede at bruge." Dr. Liu tilføjede, "Det, vi satte os for at udforske, er en enhedsstruktur, der kan fange analytmolekyler udfældet ud af en opløsning i hot-spots på en passiv (som ikke kræver energitilførsel) og effektiv måde, og vi indså, at vi kan gøre brug af væskens overfladespænding for at nå dette mål. "

Ud over demonstrationen af ​​højfølsom biomolekyle sensing, holdet gennemførte også et andet sæt eksperimenter, som viste, at den samme type enhedsstruktur også opnåede effektiv indfangning af liposompartikler (~100nm karakteristisk dimension) i de bittesmå skyttegrave. Det betyder, at sådanne optiske sensorer kan optimeres til at detektere og analysere nanoobjekter såsom vira eller exosomer, som har lignende størrelser som de liposomer, der blev brugt i forsøgene.

Forskerne mener, at den demonstrerede SEIRA optiske sensordesignstrategi også kan anvendes på andre typer optiske sensorer. Udover at registrere applikationer, sådanne enhedsstrukturer kan også bruges til at manipulere objekter i nanoskala, herunder exosomer, vira og kvanteprikker.