Концепция собирающей металинзы на чипе в качестве миниатюрного сенсора флуоресценции одиночных молекул

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Флуоресцентная спектроскопия одиночных молекул имеет фундаментальную значимость для обнаружения малого количества вещества и изучения молекулярных динамических процессов. Однако применения данного метода в медицине требуют новых решений по миниатюризации сенсорной платформы. Наиболее перспективным направлением в данной области представляется создание фотонных интегральных схем с высокой эффективностью детектирования молекул в объеме порядка кубического микрометра. В данной работе мы представляем концепцию по созданию диэлектрической металинзы на волноводе, обладающей высокой эффективностью фокусирования/сбора излучения из водного раствора. Промоделирована структура металинзы с числовой апертурой выше 1.1, работающей в видимом диапазоне, в окрестности максимума флуоресценции биологической метки Alexa Fluor 647. После расчета эффективности детектирования молекул, проведены расчеты автокорреляционных функций диффузии Alexa Fluor 647, характеризующие возможность измерения яркости, количества и динамики одиночных молекул в фокальном объеме металинзы. Данная концепция закладывает основу для разработки будущих сенсоров одиночных молекул в качестве средств биомедицины и скрининга окружающей среды.

Об авторах

Ф. А Шуклин

МФТИ

Центр фотоники и двумерных материалов, Физтех Долгопрудный, Россия

Е. Ю Барулина

МФТИ; Российский квантовый центр, Территория Инновационного центра “Сколково”

Долгопрудный, Россия; Москва, Россия

С. М Новиков

МФТИ

Долгопрудный, Россия

А. И Чернов

МФТИ; Российский квантовый центр, Территория Инновационного центра “Сколково”

Долгопрудный, Россия; Москва, Россия

А. В Барулин

МФТИ

Email: alexbarulin73@gmail.com
Центр фотоники и двумерных материалов, Физтех Долгопрудный, Россия

Список литературы

  1. H. Miller, Z. Zhou, J. Shepherd, A. J. Wollman, and M.C. Leake, Rep. Prog. Phys. 81, 024601 (2017).
  2. E. Mauriz and L.M. Lechuga, Biosensors 11, 123 (2021).
  3. И.С. Осадько, ЖЭТФ 131, 978 (2007).
  4. А.О. Савостьянов, И.Ю. Ерёмчев, А.А. Горшелев, А.В. Наумов, А.С. Старухин, Письма в ЖЭТФ 107, 426 (2018).
  5. N. Kovalets, E. Kozhina, I. Razumovskaya, S. Bedin, A. Piryazev, Y.V. Grigoriev, and A. Naumov, J. Chem. Phys. 156(3), 1 (2022).
  6. D.M. Rissin, C.W. Kan, T.G. Campbell, S.C. Howes, D.R. Fournier, L. Song, T. Piech, P.P. Patel, L. Chang, A. J. Rivnak, E.P. Ferrell, J.D. Randall, G.K. Provuncher, D.R. Walt, and D.C. Duffy, Nat. Biotechnol. 28, 595 (2010).
  7. H. Brinkerhoff, A. S. Kang, J. Liu, A. Aksimentiev, and C. Dekker, Science 374, 1509 (2021).
  8. Y.-L. Ying, Z.-L. Hu, S. Zhang, Y. Qing, A. Fragasso, G. Maglia, A. Meller, H. Bayley, C. Dekker, and Y.-T. Long, Nat. Nanotechnol. 17, 1136 (2022).
  9. G.-N.W. Gomes, M. Krzeminski, A. Namini, E.W. Martin, T. Mittag, T. Head-Gordon, J.D. Forman-Kay, and C.C. Gradinaru, J. Am. Chem. Soc. 142, 15697 (2020).
  10. S.-C. Liu, Y.-L. Ying, W.-H. Li, Y.-J. Wan, and Y.-T. Long, Chem. Sci. 12, 3282 (2021).
  11. I. Osad’ko, JETP Lett. 107, 725 (2018).
  12. H. He, C. Wu, M. Saqib, and R. Hao, Anal. Bioanal.
  13. Chem. 415, 3655 (2023).
  14. L. Skolrood, Y. Wang, S. Zhang, and Q. Wei, Sensors and Actuators Reports 4, 100063 (2022).
  15. E. Macchia, F. Torricelli, M. Caputo, L. Sarcina, C. Scandurra, P. Bollella, M. Catacchio, M. Piscitelli, C. Di Franco, G. Scamarcio, and L. Torsi, Adv. Mater. 36, 2309705 (2024).
  16. J.W. Brown, A. Bauer, M.E. Polinkovsky, A. Bhumkar, D. J. Hunter, K. Gaus, E. Sierecki, and Y. Gambin, Nat. Commun. 10, 5662 (2019).
  17. A. Ozcan and E. McLeod, Annu. Rev. Biomed. Eng. 18, 77 (2016).
  18. A. Barulin, Y. Kim, D.K. Oh, J. Jang, H. Park, J. Rho, and I. Kim, Nat. Commun. 15, 26 (2024).
  19. K. Trofymchuk, V. Glembockyte, L. Grabenhorst et al . (Collaboration), Nat. Commun. 12, 950 (2021).
  20. S. Dey, M. Dolci, and P. Zijlstra, ACS Physical Chemistry Au 3, 143 (2023).
  21. A. Valitova, A. Gazizov, and M.K. Salakhov, Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. Physics 86, S239 (2022).
  22. A. Panov, Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 86, S163 (2022).
  23. K.V. Baryshnikova, S. S. Kharintsev, P.A. Belov, N.A. Ustimenko, S.A. Tretyakov, and C.R. Simovski, Phys.-Uspekhi 65, 355 (2022).
  24. M. Khorasaninejad and F. Capasso, Science 358, eaam8100 (2017).
  25. P.-Y. Hsieh, S.-L. Fang, Y.-S. Lin, W.-H. Huang, J.-M. Shieh, P. Yu, and Y.-C. Chang, Nanophotonics 11, 4687 (2022).
  26. Y. Ding, X. Chen, Y. Duan, H. Huang, L. Zhang, S. Chang, X. Guo, and X. Ni, ACS Photonics 9, 398 (2022).
  27. L. Deng, Z. Cai, and Y. Liu, Nano Lett. 24, 9042 (2024).
  28. H. Huang, A.C. Overvig, Y. Xu, S.C. Malek, C.-C. Tsai, A. Al´u, and N. Yu, Nat. Nanotechnol. 18, 580 (2023).
  29. J. Wenger, D. G´erard, J. Dintinger, O. Mahboub, N. Bonod, E. Popov, T.W. Ebbesen, and H. Rigneault, Opt. Express 16, 3008 (2008).
  30. I. Gombos, G. Steinbach, I. Pomozi, A. Balogh, G. V´amosi, A. Gansen, G. L´aszl´o, G. Garab, and J. Matk´o, Cytometry Part A: The Journal of the International Society for Analytical Cytology 73, 220 (2008).
  31. S.-M. Seo, S.-W. Kim, J.-N. Park, J.-H. Cho, H.-S. Kim, and S.-H. Paek, Biosens. Bioelectron. 83, 19 (2016).
  32. J. Grgi´c, E. Campaioli, S. Raza, P. Bassi, and N.A. Mortensen, Opt. Quantum Electron. 42, 511 (2011).
  33. L.-L. Lin, Z.-Y. Li, and B. Lin, Phys. Rev. B 72, 165330 (2005).
  34. W.-P. Huang, J. Opt. Soc. Am. A 11, 963 (1994).
  35. M. F. Limonov, M.V. Rybin, A.N. Poddubny, and Y. S. Kivshar, Nat. Photonics 11, 543 (2017).
  36. M. Benzaouia, J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson, and A. Karalis, Phys. Rev. Res. 3, 033228 (2021).
  37. C. Sauvan, J. P. Hugonin, I. S. Maksymov, and P. Lalanne, Phys. Rev. Lett. 110, 237401 (2013).
  38. P.T. Kristensen, R.-C. Ge, and S. Hughes, Phys. Rev. A 92, 053810 (2015).
  39. A. Barulin, H. Park, B. Park, and I. Kim, Photoacoustics 32, 100545 (2023).
  40. M. Khorasaninejad, A.Y. Zhu, C. Roques-Carmes, W.T. Chen, J. Oh, I. Mishra, R.C. Devlin, and F. Capasso, Nano Lett. 16, 7229 (2016).
  41. M. Benzaouia, J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson, and A. Karalis, in 2021 Fifteenth International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (Metamaterials), IEEE, N.Y. (2021), p. 47.
  42. R. J. Potton, Rep. Prog. Phys. 67, 717 (2004).
  43. W. Barnes, G. Bj¨ork, J. G´erard, P. Jonsson, J. Wasey, P. Worthing, and V. Zwiller, The European Physical Journal D: Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics 18, 197 (2002).
  44. A. Barulin and I. Kim, Opt. Express 31, 12162 (2023).
  45. D.W¨ustner, T. Christensen, L.M. Solanko, and D. Sage, Molecules 19, 11096 (2014).
  46. C. Eggeling, A. Volkmer, and C.A. Seidel, ChemPhysChem 6, 791 (2005).
  47. H. Qian, Biophysical Chemistry 38, 49 (1990).
  48. R. Regmi, J. Berthelot, P.M. Winkler, M. Mivelle, J. Proust, F. Bedu, I. Ozerov, T. Begou, J. Lumeau, H. Rigneault, and M. F. Garc´ıa-Paraj´o, Nano Lett. 16, 5143 (2016).
  49. М. Г. Гладуш, Т.А. Аникушина, А.А. Горшелев, Т.В. Плахотник, А.В. Наумов, ЖЭТФ 155, 771 (2019).
  50. S. Kharintsev, E. Battalova, V. Mkhitaryan, and V. Shalaev, Opt. Mater. Express 14, 2017 (2024).
  51. A.V. Naumov, A.A. Gorshelev, M. Gladush, T. Anikushina, A. Golovanova, J. Kohler, and L. Kador, Nano Lett. 18, 6129 (2018).
  52. C. van Zanten, D. Melnikau, and A.G. Ryder, Journal of Fluorescence 31, 835 (2021).
  53. M. Sanaee, E. Sandberg, K.G. Ronquist, J.M. Morrell, J. Widengren, and K. Gallo, Small 18, 2106241 (2022).
  54. R. Szatanek, M. Baj-Krzyworzeka, J. Zimoch, M. Lekka, M. Siedlar, and J. Baran, Int. J. Mol. Sci. 18, 1153 (2017).

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Российская академия наук, 2024