(Phys.org) -- Märkfria optiska biosensorer möjliggör övervakning av biomolekyler och deras interaktioner i ofta mycket känsliga diagnostiska analyser. Flera metoder har använts för detta ändamål, inklusive Whispering Gallery Mode (WGM) biosensing, som erbjuder ett särskilt känsligt tillvägagångssätt för att kvantifiera massbelastningen av biomolekyler på resonatorytan med ultimat känslighet uppskattad på enstaka molekylnivå. Den enklaste WGM-biosensorn är en glasmikrosfär (vanligtvis 50–100 mm i diameter) där resonansljuset förblir begränsat av total inre reflektion.
WGM-sensorer får sin oöverträffade känslighet från användningen av optiska resonanser med hög kvalitetsfaktor (Q-faktor) för att övervaka våglängdsförskjutningssignaler vid bindning av biomolekyler eller nanopärlor till resonatorytan. Till och med ett enda virus kunde upptäckas. Än, om t.ex. en enda proteinmolekyl ska detekteras, känsligheten måste förstärkas. Det har funnits flera tillvägagångssätt, såsom generering av hot spots med hjälp av ett hybridfotoniskt-plasmoniskt avkänningskoncept med ett guld nanopartikel (NP) lager kopplat till en WGM biosensor. Dock, det finns några nackdelar:För det första, mätningar kan inte göras direkt i lösning. Andra, realtidsanalys är inte möjlig eftersom proteinerna måste föradsorberas på NP. Tredje, proteiner adsorberas slumpmässigt inom NP-lagret - utanför plasmoniska fältförstärkningsplatser - vilket sänker detektionskänsligheten.
Ett tysk-amerikanskt team under ledning av Frank Vollmer och Melik C. Demirel föreslår nu ett alternativt koncept för att övervinna dessa problem:optisk infångning av proteinmolekyler vid platserna för plasmoniska fältförbättringar i ett slumpmässigt guld-NP-lager. Den stabila integrationen av mikrosfärens WGM-biosensor med ett fuktat guld-NP-lager är avgörande för att uppnå ultrakänslig detektion. Därför, kiseldioxidmikrosfärskaviteten förblir fixerad på Au NP-skiktet. Mikrosfärens Q-faktor sjunker något men är fortfarande i intervallet 105. Efter tillsats av bovint serumalbumin (BSA) lösning i mikroliter provvolymer, som kommer in i NP-skiktet genom kapillärsugning, forskarna observerade en oväntat stor signifikant våglängdsförskjutning.
Den uppnådda känsligheten i storleksordningen femtomolkoncentrationsnivåer var mycket överraskande, och kan inte förklaras från slumpmässig bindning av BSA-molekylerna till NP-ytan. Istället, forskarna antog att proteinmolekylerna föredrar att binda till hotspot-platser (dvs. nära åtskilda slumpmässiga NP) av plasmonresonanser exciterade i NP-lagret på grund av optisk infångning. För att validera denna hypotes, de beräknade den elektromagnetiska fältfördelningen i ett modell-NP-lager med hjälp av generaliserad Mie-teori och simulerade den förväntade våglängdsförskjutningen på grund av bindningen av proteiner. Deras beräkningar visade att verkligen, optisk infångning av proteinerna vid mycket känsliga plasmoniska hotspot-platser är avgörande för att uppnå hög känslighet vid biosensing i mikrokavitet.
Den uppnådda känsligheten i storleksordningen femtomolkoncentrationsnivåer var mycket överraskande, och kan inte förklaras från slumpmässig bindning av BSA-molekylerna till NP-ytan. Istället, forskarna antog att proteinmolekylerna föredrar att binda till hotspot-platser (dvs. nära åtskilda slumpmässiga NP) av plasmonresonanser exciterade i NP-lagret på grund av optisk infångning. För att validera denna hypotes, de beräknade den elektromagnetiska fältfördelningen i ett modell-NP-lager med hjälp av generaliserad Mie-teori och simulerade den förväntade våglängdsförskjutningen på grund av bindningen av proteiner. Deras beräkningar visade att verkligen, optisk infångning av proteinerna vid mycket känsliga plasmoniska hotspot-platser är avgörande för att uppnå hög känslighet vid biosensing i mikrokavitet.
Laget, bestående av forskare vid Pennsylvania State University (USA), på BASF SE (Ludwigshafen, Tyskland), Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, USA), och Max Planck Institute for the Science of Light (Erlangen, Tyskland), har etablerat en ny lovande väg mot en enda molekylupplösning i WGM-biosensorer kopplade till konstruerade eller slumpmässiga plasmoniska nanoantenner. Att använda ett slumpmässigt NP-lager har fördelen av integration med en mikrofluidisk enhet, och guld-NP:er kan lätt funktionaliseras med igenkänningselement såsom oligonukleotider eller proteiner. Tillvägagångssättet kan vara av intresse för många områden, inklusive medicinsk biosensing och läkemedelsscreening.
