Kontseptsiya sobirayushchey metalinzy na chipe v kachestve miniatyurnogo sensora fluorestsentsii odinochnykh molekul

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

About the authors

F. A Shuklin

МФТИ

Центр фотоники и двумерных материалов, Физтех Долгопрудный, Россия

E. Yu Barulina

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

Долгопрудный, Россия; Москва, Россия

S. M Novikov

МФТИ

Долгопрудный, Россия

A. I Chernov

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

Долгопрудный, Россия; Москва, Россия

A. V Barulin

МФТИ

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

References

  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).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Российская академия наук