Verdens mest følsomme plasmonresonanssensor inspireret af antikke romerske bæger

Ved at bruge optiske egenskaber, som først blev demonstreret af de gamle romere, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign har skabt en roman, ultra-følsomt værktøj til kemikalier, DNA, og proteinanalyse.

"Med denne enhed, nanoplasmonisk spektroskopi-sansning, for første gang, bliver kolorimetrisk sansning, kræver kun blotte øjne eller almindelig synlig farvefotografering, " forklarede Logan Liu, en assisterende professor i elektro- og computerteknik og i bioteknik ved Illinois. "Det kan bruges til kemisk billeddannelse, biomolekylær billeddannelse, og integration til bærbare mikrofluidiske enheder til lab-on-chip-applikationer. Hans forskerholds resultater blev omtalt i forsideartiklen til den indledende udgave af Avancerede optiske materialer (optisk sektion af Avancerede materialer ).

Lycurgus koppen blev skabt af romerne i 400 e.Kr. Lavet af et dikroisk glas, den berømte kop udviser forskellige farver afhængigt af, om lyset passerer gennem den eller ej; rød når den lyser bagfra og grøn når den lyser forfra. Det er også oprindelsen til inspiration for al nutidig nanoplasmonikforskning - studiet af optiske fænomener i nanoskala nærhed af metaloverflader.

"Denne dikroiske effekt blev opnået ved at inkludere små mængder af minutiøst malet guld- og sølvstøv i glasset, " tilføjede Liu. "I vores forskning, vi har skabt et stort område med høj tæthed af en Lycurgus-kop i nanoskala ved hjælp af et gennemsigtigt plastiksubstrat for at opnå kolorimetrisk sensing. Sensoren består af omkring en milliard nanokopper i et array med sub-bølgelængde åbning og dekoreret med metal nanopartikler på sidevægge, med lignende form og egenskaber som Lycurgus-kopperne udstillet på et britisk museum. Liu og hans team var særligt begejstrede over materialets ekstraordinære egenskaber, giver 100 gange bedre følsomhed end nogen anden rapporteret nanoplasmonisk enhed.

Kolorimetriske teknikker er hovedsageligt attraktive på grund af deres lave omkostninger, brug af billigt udstyr, krav om færre signaltransduktionshardware, og frem for alt, giver nemme at forstå resultater. Kolorimetrisk sensor kan bruges til både kvalitativ analytisk identifikation såvel som kvantitativ analyse. Det nuværende design vil også muliggøre ny teknologiudvikling inden for DNA/protein-mikroarray.

"Vores etiketfri kolorimetriske sensor eliminerer behovet for problematisk fluorescensmærkning af DNA/proteinmolekyler, og hybridiseringen af ​​probe og målmolekyle detekteres fra sensorens farveændring, " sagde Manas Gartia, første forfatter til artiklen, "Colorimetrics:Colorimetrisk Plasmon Resonance Imaging ved hjælp af Nano Lycurgus Cup Arrays." "Vores nuværende sensor kræver kun en lyskilde og et kamera for at fuldføre DNA-sensingsprocessen. Dette åbner mulighed for at udvikle overkommelige, enkel og følsom mobiltelefon-baseret DNA-mikroarray-detektor i nær fremtid. På grund af dens lave omkostninger, enkelhed i design, og høj følsomhed, vi forestiller os den omfattende brug af enheden til DNA-mikroarrays, terapeutisk antistofscreening for lægemiddelopdagelse, og patogendetektion i ressourcefattige omgivelser."

Gartia forklarede, at lys-stof interaktion ved hjælp af sub-bølgelængde hul arrays giver anledning til interessante optiske fænomener såsom overflade plasmon polaritoner (SPP'er) medieret forbedret optisk transmission (EOT). I tilfælde af EOT, mere end forventet mængde lys kan transmitteres gennem nanohuller på ellers uigennemsigtige metal tynde film. Da den tynde metalfilm har særlige optiske egenskaber kaldet overfladeplasmonresonans (SPR), som påvirkes af små mængder omgivende materialer, en sådan enhed er blevet brugt som biosensing-applikationer.

Ifølge forskerne, de fleste af de tidligere undersøgelser har hovedsageligt fokuseret på at manipulere todimensionelle (2D) EOT-strukturer i planet, såsom justering af huldiameteren, form, eller afstand mellem hullerne. Ud over, de fleste af de tidligere undersøgelser vedrører kun lige huller. Her, EOT formidles hovedsageligt af SPP'er, hvilket begrænser følsomheden og værdien, der kan opnås fra sådanne enheder.

"Vores nuværende design anvender 3D sub-bølgelængde tilspidset periodisk hul array plasmonisk struktur. I modsætning til den SPP medierede EOT, den foreslåede struktur er afhængig af Localized Surface Plasmon (LSP) medieret EOT, " sagde Gartia. "Fordelen ved LSP'er er, at den forbedrede transmission ved forskellige bølgelængder og med forskellige spredningsegenskaber kan indstilles ved at kontrollere størrelsen, form, og materialer i 3D-hullerne. Den tilspidsede geometri vil lede og adiabatisk fokusere fotonerne på den sub-bølgelængde plasmoniske struktur i bunden, fører til stort lokalt elektrisk felt og forbedring af EOT.

"For det andet vil den lokaliserede resonans understøttet af 3D-plasmonisk struktur muliggøre bredbåndsindstilling af optisk transmission ved at styre formen, størrelse, og hullernes periode samt formen, størrelse, og periode med metalliske partikler dekoreret på sidevæggene. Med andre ord, vi vil have mere kontrollerbarhed i forhold til at indstille sensorens resonansbølgelængder."