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

Sintesi Tecnica: Rilevamento Biologico Sensibile in Flusso Mediante Metasuperfici che Ospitano Risonanze di Stati Quasi-Legati nel Continuo

Enunciato del Problema
I biosensori ottici richiedono elevata sensibilità per rilevare biomolecole a basse concentrazioni, spesso necessitando di monitoraggio in tempo reale senza complessi passaggi di amplificazione. Sebbene le metasuperfici plasmoniche offrano alta sensibilità grazie alla forte localizzazione del campo elettrico, soffrono di bassi fattori di qualità (fattori Q) a causa delle perdite ohmiche intrinseche, il che limita i loro limiti pratici di rilevamento. Al contrario, le metasuperfici dielettriche che sfruttano le risonanze di Mie offrono perdite trascurabili ma tipicamente localizzano il campo elettrico potenziato all'interno del materiale ad alto indice di rifrazione stesso, piuttosto che nel volume di sensing circostante dove risiede l'analita. Inoltre, sebbene le metasuperfici basate su stati quasi-legati nel continuo (q-BIC) abbiano dimostrato alti fattori Q e sensibilità, la loro applicazione per il biosensing in tempo reale basato sul flusso, in particolare per la diagnostica al punto di cura, rimane poco esplorata. Molte dimostrazioni esistenti di sensing q-BIC si affidano a incubazione, multiplexing o algoritmi di apprendimento automatico per migliorare i limiti di rilevamento, piuttosto che raggiungere alta sensibilità attraverso misurazioni dirette e in tempo reale.

Metodologia
Gli autori hanno progettato e fabbricato una metasuperficie dielettrica composta da nanorisonatori in silicio disposti in una configurazione di cella unitaria a "2 barre". Il progetto introduce asimmetria strutturale variando le larghezze delle fessure tra le due barre all'interno di una cella unitaria ($G_1$) e le fessure tra le barre di celle unitarie adiacenti ($G_2$). Questa asimmetria ($\Delta = |G_1 - G_2|$) rompe la simmetria della struttura, permettendo l'accoppiamento al campo lontano con una risonanza q-BIC che è specificamente localizzata nel gap d'aria tra i nanorisonatori.

• Fabbricazione: Le metasuperfici sono state fabbricate su film sottili di silicio amorfo utilizzando litografia a fascio elettronico (EBL) seguita da incisione ionica reattiva (RIE). Le strutture finali presentavano barre con larghezze di 242 nm, altezze di 270 nm e lunghezze di 405 nm e 373 nm, con un periodo di cella unitaria di 770 nm.
• Setup Sperimentale: I sensori sono stati integrati in una cella di flusso microfluidica commerciale (Fluidic 864). Gli spettri di trasmissione sono stati misurati in tempo reale utilizzando un setup ottico personalizzato con una sorgente di luce bianca e un analizzatore di spettro ottico.
• Protocollo di Sensing:
  1. Sensibilità all'Indice di Rifrazione di Massa: Il sistema è stato inizialmente caratterizzato facendo scorrere miscele etanolo:acqua di indici di rifrazione variabili sulla metasuperficie per determinare la sensibilità all'indice di rifrazione di massa.
  2. Funzionalizzazione: La metasuperficie è stata funzionalizzata con recettori biotina-PEG-silano per consentire il legame specifico con la streptavidina.
  3. Biosensing: La piattaforma è stata testata con streptavidina coniugata a punti quantici (strep-QD) per correlare visivamente gli spostamenti di risonanza con la fluorescenza. Successivamente, soluzioni pure di streptavidina sono state fatte scorrere attraverso la cella a concentrazioni comprese tra $10^{-8}$ M e $10^{-4}$ M per determinare il limite di rilevamento (LOD) senza amplificazione.

Contributi e Risultati Chiave

• Localizzazione della Risonanza: Lo studio ha dimostrato con successo che la risonanza q-BIC è localizzata all'interno del volume di sensing (il gap tra i nanorisonatori), combinando le proprietà a bassa perdita dei dielettrici con il potenziamento del campo richiesto per l'alta sensibilità.
• Sensibilità all'Indice di Rifrazione di Massa: La metasuperficie ha mostrato una sensibilità all'indice di rifrazione di massa di $315 \pm 22$ nm/RIU e una figura di merito (FOM) di $66 \pm 5$ RIU$^{-1}$. Il fattore Q sperimentale è stato misurato a 141 in aria, aumentando a 261 quando immerso in soluzione tampone fosfato salina (PBS).
• Misurazioni Cinetiche in Tempo Reale: Il setup basato sul flusso ha permesso il monitoraggio in tempo reale degli spostamenti di risonanza. Il sistema ha potuto rilevare cambiamenti nell'indice di rifrazione corrispondenti a miscele etanolo:acqua fino al 1% vol/vol, con piena reversibilità al ritorno all'acqua pura.
• Prestazioni di Biosensing:
  • Il legame specifico della streptavidina alla superficie funzionalizzata con biotina è stato confermato, mostrando uno spostamento verso il rosso distinto nella risonanza q-BIC.
  • Il limite di rilevamento (LOD), definito come 3$\sigma$ al di sopra del livello di rumore, è stato determinato essere $1.8 \times 10^{-8}$ M (1.1 µg/mL) per la streptavidina.
  • La cinetica di legame è stata tracciata con successo in tempo reale e l'equazione di Hill è stata utilizzata per modellare la saturazione del legame, producendo un intervallo dinamico di 3.9 nm.

Significato e Affermazioni
Il documento afferma che questa piattaforma rappresenta un approccio ottico compatto adatto alla diagnostica al punto di cura con lettura rapida e in tempo reale. Localizzando la risonanza q-BIC nel gap tra i nanorisonatori, il progetto supera i limiti dei precedenti sensori dielettrici dove il potenziamento del campo avviene all'interno del materiale. Gli autori sottolineano che sono state raggiunte alte sensibilità per il rilevamento della streptavidina senza la necessità di passaggi di amplificazione aggiuntivi, periodi di incubazione o algoritmi complessi di elaborazione dei dati, che sono requisiti comuni in altri lavori di sensing q-BIC. Inoltre, la natura reversibile dell'interazione streptavidina-biotina a temperature elevate suggerisce il potenziale di riutilizzabilità del sensore. Il lavoro evidenzia la fattibilità delle metasuperfici q-BIC per applicazioni pratiche di biosensing basate sul flusso.