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

Resumen Técnico: Detección Biológica Sensible en Flujo Mediante Metasuperficies que Acomoden Resonancias de Estados Cuasi-Unidos en el Continuo

Planteamiento del Problema
Los biosensores ópticos requieren alta sensibilidad para detectar biomoléculas a bajas concentraciones, lo que a menudo exige monitoreo en tiempo real sin pasos de amplificación complejos. Si bien las metasuperficies plasmónicas ofrecen alta sensibilidad debido a la fuerte localización del campo eléctrico, sufren de factores de calidad (factores Q) bajos debido a las pérdidas óhmicas intrínsecas, lo que limita sus límites de detección prácticos. Por el contrario, las metasuperficies dieléctricas que utilizan resonancias de Mie ofrecen pérdidas despreciables, pero típicamente localizan el campo eléctrico mejorado dentro del material de alto índice de refracción en sí mismo, en lugar de en el volumen de detección circundante donde reside el analito. Además, aunque las metasuperficies de estados cuasi-unidos en el continuo (q-BIC) han demostrado altos factores Q y sensibilidad, su aplicación para biosensores en tiempo real basados en flujo, particularmente para diagnósticos en el punto de atención, sigue siendo poco explorada. Muchas demostraciones existentes de detección con q-BIC dependen de incubación, multiplexación o algoritmos de aprendizaje automático para mejorar los límites de detección, en lugar de lograr alta sensibilidad mediante mediciones directas en tiempo real.

Metodología
Los autores diseñaron y fabricaron una metasuperficie dieléctrica compuesta por nanorresonadores de silicio dispuestos en una configuración de celda unitaria de "2 barras". El diseño introduce asimetría estructural variando las anchuras de las brechas entre las dos barras dentro de una celda unitaria ($G_1$) y las brechas entre las barras de celdas unitarias vecinas ($G_2$). Esta asimetría ($\Delta = |G_1 - G_2|$) rompe la simetría de la estructura, permitiendo el acoplamiento al campo lejano a una resonancia q-BIC que se localiza específicamente en la brecha de aire entre los nanorresonadores.

• Fabricación: Las metasuperficies se fabricaron sobre películas delgadas de silicio amorfo utilizando litografía de haz de electrones (EBL) seguida de grabado por iones reactivos (RIE). Las estructuras finales presentaron barras con anchuras de 242 nm, alturas de 270 nm y longitudes de 405 nm y 373 nm, con un periodo de celda unitaria de 770 nm.
• Configuración Experimental: Los sensores se integraron en una celda de flujo microfluídica comercial (Fluidic 864). Los espectros de transmisión se midieron en tiempo real utilizando una configuración óptica personalizada con una fuente de luz blanca y un analizador de espectro óptico.
• Protocolo de Detección:
  1. Sensibilidad de Volumen: El sistema se caracterizó primero haciendo fluir mezclas de etanol:agua de índices de refracción variables sobre la metasuperficie para determinar la sensibilidad al índice de refracción de volumen.
  2. Funcionalización: La metasuperficie se funcionalizó con receptores de biotina-PEG-silano para permitir la unión específica con estreptavidina.
  3. Biosensado: La plataforma se probó con estreptavidina conjugada a puntos cuánticos (strep-QD) para correlacionar visualmente los desplazamientos de resonancia con la fluorescencia. Posteriormente, se hicieron fluir soluciones puras de estreptavidina a través de la celda en concentraciones que oscilan entre $10^{-8}$ M y $10^{-4}$ M para determinar el límite de detección (LOD) sin amplificación.

Contribuciones y Resultados Clave

• Localización de Resonancia: El estudio demostró exitosamente que la resonancia q-BIC se localiza dentro del volumen de detección (la brecha entre los nanorresonadores), combinando las propiedades de baja pérdida de los dieléctricos con la mejora de campo requerida para alta sensibilidad.
• Sensibilidad al Índice de Refracción de Volumen: La metasuperficie exhibió una sensibilidad al índice de refracción de volumen de $315 \pm 22$ nm/RIU y una figura de mérito (FOM) de $66 \pm 5$ RIU$^{-1}$. El factor Q experimental se midió en 141 en aire, aumentando a 261 cuando se sumergió en solución salina tamponada con fosfato (PBS).
• Mediciones Cinéticas en Tiempo Real: La configuración basada en flujo permitió el monitoreo en tiempo real de los desplazamientos de resonancia. El sistema pudo detectar cambios en el índice de refracción correspondientes a mezclas de etanol:agua tan bajas como 1% vol/vol, con reversibilidad completa al regresar al agua pura.
• Rendimiento de Biosensado:
  • Se confirmó la unión específica de estreptavidina a la superficie funcionalizada con biotina, mostrando un desplazamiento al rojo distintivo en la resonancia q-BIC.
  • El límite de detección (LOD), definido como 3$\sigma$ por encima del nivel de ruido, se determinó en $1.8 \times 10^{-8}$ M (1.1 µg/mL) para estreptavidina.
  • La cinética de unión se rastreó exitosamente en tiempo real, y se utilizó la ecuación de Hill para modelar la saturación de unión, obteniendo un rango dinámico de 3.9 nm.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma que esta plataforma representa un enfoque óptico compacto adecuado para diagnósticos en el punto de atención con lectura rápida y en tiempo real. Al localizar la resonancia q-BIC en la brecha entre los nanorresonadores, el diseño supera las limitaciones de sensores dieléctricos anteriores donde la mejora del campo ocurre dentro del material. Los autores enfatizan que se lograron altas sensibilidades para la detección de estreptavidina sin necesidad de pasos de amplificación adicionales, períodos de incubación o algoritmos complejos de procesamiento de datos, que son requisitos comunes en otros trabajos de detección con q-BIC. Además, la naturaleza reversible de la interacción estreptavidina-biotina a temperaturas elevadas sugiere el potencial de reutilización del sensor. El trabajo destaca la viabilidad de las metasuperficies q-BIC para aplicaciones prácticas de biosensado basadas en flujo.