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

Resumo Técnico: Biodetecção Sensível em Fluxo Utilizando Metasuperfícies Hospedeiras de Ressonâncias de Estados Quase-Ligados no Contínuo

Declaração do Problema
Os biossensores ópticos exigem alta sensibilidade para detectar biomoléculas em baixas concentrações, frequentemente necessitando de monitoramento em tempo real sem etapas complexas de amplificação. Embora as metasuperfícies plasmônicas ofereçam alta sensibilidade devido à forte localização do campo elétrico, elas sofrem com baixos fatores de qualidade (fatores Q) devido às perdas ôhmicas intrínsecas, o que limita seus limites práticos de detecção. Por outro lado, as metasuperfícies dielétricas que utilizam ressonâncias de Mie oferecem perdas negligenciáveis, mas tipicamente localizam o campo elétrico amplificado dentro do próprio material de alto índice de refração, em vez de no volume de sensoriamento circundante onde reside o analito. Além disso, embora as metasuperfícies de estados quase-ligados no contínuo (q-BIC) tenham demonstrado altos fatores Q e sensibilidade, sua aplicação para biossensoriamento em tempo real baseado em fluxo — particularmente para diagnósticos no ponto de atendimento — permanece pouco explorada. Muitas demonstrações existentes de sensoriamento q-BIC dependem de incubação, multiplexação ou algoritmos de aprendizado de máquina para melhorar os limites de detecção, em vez de alcançar alta sensibilidade por meio de medição direta e em tempo real.

Metodologia
Os autores projetaram e fabricaram uma metasuperfície dielétrica composta por nanorressonadores de silício dispostos em uma configuração de célula unitária "2-barra". O projeto introduz assimetria estrutural variando as larguras das lacunas entre as duas barras dentro de uma célula unitária ($G_1$) e as lacunas entre barras de células unitárias vizinhas ($G_2$). Essa assimetria ($\Delta = |G_1 - G_2|$) quebra a simetria da estrutura, permitindo o acoplamento ao campo distante a uma ressonância q-BIC que é especificamente localizada na lacuna de ar entre os nanorressonadores.

• Fabricação: As metasuperfícies foram fabricadas em filmes finos de silício amorfo usando litografia por feixe de elétrons (EBL) seguida de etching por íons reativos (RIE). As estruturas finais apresentaram barras com larguras de 242 nm, alturas de 270 nm e comprimentos de 405 nm e 373 nm, com um período de célula unitária de 770 nm.
• Configuração Experimental: Os sensores foram integrados em uma célula de fluxo microfluídica comercial (Fluidic 864). Os espectros de transmissão foram medidos em tempo real usando um setup óptico personalizado com uma fonte de luz branca e um analisador de espectro óptico.
• Protocolo de Sensoriamento:
  1. Sensibilidade de Volume: O sistema foi caracterizado inicialmente fazendo fluir misturas etanol:água de índices de refração variados sobre a metasuperfície para determinar a sensibilidade ao índice de refração de volume.
  2. Funcionalização: A metasuperfície foi funcionalizada com receptores biotina-PEG-silano para permitir ligação específica com estreptavidina.
  3. Biossensoriamento: A plataforma foi testada com estreptavidina conjugada a pontos quânticos (strep-QD) para correlacionar visualmente os deslocamentos de ressonância com fluorescência. Posteriormente, soluções puras de estreptavidina foram feitas fluir através da célula em concentrações variando de $10^{-8}$ M a $10^{-4}$ M para determinar o limite de detecção (LOD) sem amplificação.

Principais Contribuições e Resultados

• Localização da Ressonância: O estudo demonstrou com sucesso que a ressonância q-BIC está localizada dentro do volume de sensoriamento (a lacuna entre os nanorressonadores), combinando as propriedades de baixa perda dos dielétricos com o aprimoramento de campo necessário para alta sensibilidade.
• Sensibilidade ao Índice de Refração de Volume: A metasuperfície exibiu uma sensibilidade ao índice de refração de volume de $315 \pm 22$ nm/RIU e uma figura de mérito (FOM) de $66 \pm 5$ RIU$^{-1}$. O fator Q experimental foi medido em 141 no ar, aumentando para 261 quando imerso em Solução Tampão Fosfatada (PBS).
• Medições Cinéticas em Tempo Real: O setup baseado em fluxo permitiu o monitoramento em tempo real dos deslocamentos de ressonância. O sistema pôde detectar mudanças no índice de refração correspondentes a misturas etanol:água tão baixas quanto 1% vol/vol, com reversibilidade total ao retornar à água pura.
• Desempenho de Biossensoriamento:
  • A ligação específica da estreptavidina à superfície funcionalizada com biotina foi confirmada, mostrando um desvio para o vermelho distinto na ressonância q-BIC.
  • O limite de detecção (LOD), definido como 3$\sigma$ acima do nível de ruído, foi determinado como $1.8 \times 10^{-8}$ M (1,1 µg/mL) para estreptavidina.
  • A cinética de ligação foi rastreada com sucesso em tempo real, e a equação de Hill foi utilizada para modelar a saturação de ligação, resultando em uma faixa dinâmica de 3,9 nm.

Significância e Alegações
O artigo alega que esta plataforma representa uma abordagem óptica compacta adequada para diagnósticos no ponto de atendimento com leitura rápida e em tempo real. Ao localizar a ressonância q-BIC na lacuna entre os nanorressonadores, o projeto supera as limitações de sensores dielétricos anteriores onde o aprimoramento de campo ocorre dentro do material. Os autores enfatizam que altas sensibilidades foram alcançadas para a detecção de estreptavidina sem a necessidade de etapas adicionais de amplificação, períodos de incubação ou algoritmos complexos de processamento de dados, que são requisitos comuns em outros trabalhos de sensoriamento q-BIC. Adicionalmente, a natureza reversível da interação estreptavidina-biotina em temperaturas elevadas sugere o potencial para reutilização do sensor. O trabalho destaca a viabilidade de metasuperfícies q-BIC para aplicações práticas de biossensoriamento baseado em fluxo.