Sensitive biodetection in flow using metasurface hosting quasi-bound state in the continuum resonances

Technische Zusammenfassung: Empfindlicher Nachweis von Biomolekülen im Fluss unter Verwendung von Metasurfaces mit Resonanzen quasi-gebundener Zustände im Kontinuum

Problemstellung
Optische Biosensoren erfordern eine hohe Empfindlichkeit, um Biomoleküle in niedrigen Konzentrationen nachzuweisen, was häufig eine Echtzeit-Überwachung ohne komplexe Verstärkungsschritte notwendig macht. Während plasmonische Metasurfaces aufgrund der starken Lokalisierung elektrischer Felder eine hohe Empfindlichkeit bieten, leiden sie unter niedrigen Gütefaktoren (Q-Faktoren) aufgrund intrinsischer ohmscher Verluste, was ihre praktischen Nachweisgrenzen begrenzt. Im Gegensatz dazu bieten dielektrische Metasurfaces, die Mie-Resonanzen nutzen, vernachlässigbare Verluste, lokalisiert das verstärkte elektrische Feld jedoch typischerweise innerhalb des Materials mit hohem Brechungsindex selbst und nicht im umgebenden Sensing-Volumen, in dem sich das Analytmolekül befindet. Darüber hinaus sind, obwohl Metasurfaces mit quasi-gebundenen Zuständen im Kontinuum (q-BIC) hohe Q-Faktoren und Empfindlichkeiten demonstriert haben, ihre Anwendungen für die Echtzeit-Biosensorik auf Flussbasis – insbesondere für Point-of-Care-Diagnostik – noch wenig erforscht. Viele bestehende q-BIC-Nachweisnachweise verlassen sich auf Inkubation, Multiplexing oder maschinelle Lernalgorithmen zur Verbesserung der Nachweisgrenzen, anstatt eine hohe Empfindlichkeit durch direkte, Echtzeit-Messungen zu erreichen.

Methodik
Die Autoren entwarfen und fertigten eine dielektrische Metasurface aus Silizium-Nanoresonatoren an, die in einer „2-Bar"-Einheitszellen-Konfiguration angeordnet sind. Das Design führt strukturelle Asymmetrie ein, indem die Gap-Breiten zwischen den beiden Stäben innerhalb einer Einheitszelle ($G_1$) und die Gaps zwischen Stäben benachbarter Einheitszellen ($G_2$) variiert werden. Diese Asymmetrie ($\Delta = |G_1 - G_2|$) bricht die Symmetrie der Struktur und ermöglicht eine Kopplung in den Fernfeldbereich zu einer q-BIC-Resonanz, die spezifisch im Luftspalt zwischen den Nanoresonatoren lokalisiert ist.

• Fertigung: Die Metasurfaces wurden auf amorphen Silizium-Dünnschichten mittels Elektronenstrahllithographie (EBL) gefolgt von reaktivem Ionenätzen (RIE) hergestellt. Die finalen Strukturen wiesen Stäbe mit Breiten von 242 nm, Höhen von 270 nm und Längen von 405 nm bzw. 373 nm auf, mit einer Einheitszellen-Periode von 770 nm.
• Experimenteller Aufbau: Die Sensoren wurden in eine kommerzielle mikrofluidische Flow-Zelle (Fluidic 864) integriert. Transmissionsspektren wurden in Echtzeit mit einem optischen Versuchsaufbau unter Verwendung einer Weißlichtquelle und eines optischen Spektralanalysators gemessen.
• Sensing-Protokoll:
  1. Volumen-Empfindlichkeit: Das System wurde zunächst charakterisiert, indem Ethanol:Wasser-Gemische mit variierenden Brechungsindizes über die Metasurface geleitet wurden, um die Empfindlichkeit für den Brechungsindex des Volumens zu bestimmen.
  2. Funktionalisierung: Die Metasurface wurde mit Biotin-PEG-Silan-Rezeptoren funktionalisiert, um eine spezifische Bindung mit Streptavidin zu ermöglichen.
  3. Biosensorik: Die Plattform wurde mit Streptavidin getestet, das an Quantenpunkte gekoppelt war (strep-QD), um Resonanzverschiebungen visuell mit Fluoreszenz zu korrelieren. Anschließend wurden reine Streptavidin-Lösungen in Konzentrationen von $10^{-8}$ M bis $10^{-4}$ M durch die Zelle geleitet, um die Nachweisgrenze (LOD) ohne Verstärkung zu bestimmen.

Hauptbeiträge und Ergebnisse

• Resonanzlokalisierung: Die Studie demonstrierte erfolgreich, dass die q-BIC-Resonanz innerhalb des Sensing-Volumens (dem Spalt zwischen den Nanoresonatoren) lokalisiert ist und dabei die verlustarmen Eigenschaften von Dielektrika mit der für hohe Empfindlichkeit erforderlichen Feldverstärkung kombiniert.
• Volumen-Brechungsindex-Empfindlichkeit: Die Metasurface zeigte eine Volumen-Brechungsindex-Empfindlichkeit von $315 \pm 22$ nm/RIU und eine Figure-of-Merit (FOM) von $66 \pm 5$ RIU$^{-1}$. Der experimentelle Q-Faktor wurde in Luft mit 141 gemessen und stieg auf 261, wenn er in Phosphat-Puffer-Salzlösung (PBS) eingetaucht war.
• Echtzeit-Kinetische Messungen: Der flussbasierte Aufbau ermöglichte die Echtzeit-Überwachung von Resonanzverschiebungen. Das System konnte Brechungsindexänderungen entsprechend Ethanol:Wasser-Gemischen ab 1 % Vol/Vol detektieren, mit vollständiger Reversibilität bei Rückkehr zu reinem Wasser.
• Biosensorik-Leistung:
  • Die spezifische Bindung von Streptavidin an die biotin-funktionalisierte Oberfläche wurde bestätigt und zeigte eine deutliche Rotverschiebung der q-BIC-Resonanz.
  • Die Nachweisgrenze (LOD), definiert als 3$\sigma$ über dem Rauschniveau, wurde für Streptavidin mit $1,8 \times 10^{-8}$ M (1,1 µg/mL) bestimmt.
  • Die Bindungskinetik wurde erfolgreich in Echtzeit verfolgt, und die Hill-Gleichung wurde zur Modellierung der Bindungssättigung verwendet, was eine dynamische Reichweite von 3,9 nm ergab.

Bedeutung und Behauptungen
Die Arbeit behauptet, dass diese Plattform einen kompakten optischen Ansatz darstellt, der für Point-of-Care-Diagnostik mit schneller, Echtzeit-Auslesung geeignet ist. Durch die Lokalisierung der q-BIC-Resonanz im Spalt zwischen den Nanoresonatoren überwindet das Design die Einschränkungen vorheriger dielektrischer Sensoren, bei denen die Feldverstärkung innerhalb des Materials stattfindet. Die Autoren betonen, dass hohe Empfindlichkeiten für den Nachweis von Streptavidin erreicht wurden, ohne dass zusätzliche Verstärkungsschritte, Inkubationszeiten oder komplexe Datenverarbeitungsalgorithmen erforderlich waren, die in anderen q-BIC-Sensorarbeiten übliche Anforderungen sind. Zusätzlich deutet die reversible Natur der Streptavidin-Biotin-Interaktion bei erhöhten Temperaturen auf das Potenzial zur Wiederverwendbarkeit des Sensors hin. Die Arbeit unterstreicht die Lebensfähigkeit von q-BIC-Metasurfaces für praktische, flussbasierte Biosensorik-Anwendungen.