(Phys.org) -- Labelvrije optische biosensoren maken het mogelijk om biomoleculen en hun interacties in vaak zeer gevoelige diagnostische tests te volgen. Hiervoor zijn verschillende methoden gebruikt, inclusief Whispering Gallery Mode (WGM) biosensing, wat een bijzonder gevoelige benadering biedt om de massale lading van biomoleculen op het resonatoroppervlak te kwantificeren met een ultieme gevoeligheid geschat op het niveau van een enkel molecuul. De eenvoudigste WGM-biosensor is een glazen microbolletje (meestal 50-100 mm in diameter) waar het resonerende licht beperkt blijft door totale interne reflectie.

WGM-sensoren ontlenen hun ongekende gevoeligheid aan het gebruik van optische resonanties van hoge kwaliteit (Q-factor) om signalen van golflengteverschuiving te volgen bij binding van biomoleculen of nanobeads aan het resonatoroppervlak. Zelfs een enkel virus kon worden gedetecteerd. Nog, als bijv. een enkel eiwitmolecuul wordt gedetecteerd, de gevoeligheid moet worden opgevoerd. Er zijn verschillende benaderingen geweest, zoals het genereren van hotspots met behulp van een hybride fotonisch-plasmonisch detectieconcept met een gouden nanodeeltjeslaag (NP) gekoppeld aan een WGM-biosensor. Echter, er zijn enkele nadelen:ten eerste, metingen kunnen niet direct in oplossing worden gedaan. Tweede, real-time analyse is niet mogelijk omdat de eiwitten vooraf op de NP's moeten worden geadsorbeerd. Derde, eiwitten worden willekeurig geadsorbeerd in de NP-laag - buiten de plasmonische veldverbeteringsplaatsen - wat de detectiegevoeligheid verlaagt.

Een Duits-Amerikaans team onder leiding van Frank Vollmer en Melik C. Demirel stelt nu een alternatief concept voor om deze problemen op te lossen:optische vangst van eiwitmoleculen op de plaatsen van plasmonische veldverbeteringen in een willekeurige gouden NP-laag. De stabiele integratie van de microsfeer WGM-biosensor met een bevochtigde gouden NP-laag is van cruciaal belang voor het bereiken van ultragevoelige detectie. Daarom, de holte van de silicamicrobolletjes blijft gefixeerd op de Au NP-laag. De Q-factor van de microbol daalt licht maar ligt nog steeds in het bereik van 105. Na toevoeging van runderserumalbumine (BSA)-oplossing bij microliter monstervolumes, die de NP-laag binnenkomt door capillaire afzuiging, de onderzoekers observeerden een onverwacht grote significante golflengteverschuiving.

De bereikte gevoeligheid in de volgorde van femtomolconcentratieniveaus was zeer verrassend, en kan niet worden verklaard door willekeurige binding van de BSA-moleculen aan het NP-oppervlak. In plaats daarvan, de wetenschappers veronderstelden dat de eiwitmoleculen er de voorkeur aan geven te binden aan hotspot-locaties (d.w.z. dicht bij elkaar gelegen willekeurige NP's) van plasmonresonanties die in de NP-laag worden geëxciteerd als gevolg van optische trapping. Om deze hypothese te valideren, ze berekenden de elektromagnetische veldverdeling in een model NP-laag met behulp van gegeneraliseerde Mie-theorie en simuleerden de verwachte golflengteverschuiving als gevolg van de binding van eiwitten. Uit hun berekeningen bleek dat inderdaad, optische trapping van de eiwitten op zeer gevoelige plasmonische hotspot-locaties is essentieel voor het bereiken van een hoge gevoeligheid bij biosensing van microholtes.

De bereikte gevoeligheid in de volgorde van femtomolconcentratieniveaus was zeer verrassend, en kan niet worden verklaard door willekeurige binding van de BSA-moleculen aan het NP-oppervlak. In plaats daarvan, de wetenschappers veronderstelden dat de eiwitmoleculen er de voorkeur aan geven te binden aan hotspot-locaties (d.w.z. dicht bij elkaar gelegen willekeurige NP's) van plasmonresonanties die in de NP-laag worden geëxciteerd als gevolg van optische trapping. Om deze hypothese te valideren, ze berekenden de elektromagnetische veldverdeling in een model NP-laag met behulp van gegeneraliseerde Mie-theorie en simuleerden de verwachte golflengteverschuiving als gevolg van de binding van eiwitten. Uit hun berekeningen bleek dat inderdaad, optische trapping van de eiwitten op zeer gevoelige plasmonische hotspot-locaties is essentieel voor het bereiken van een hoge gevoeligheid bij biosensing van microholtes.

Het team, bestaande uit wetenschappers van de Pennsylvania State University (VS), bij BASF SE (Ludwigshafen, Duitsland), het Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, VS), en het Max Planck Instituut voor de Wetenschap van het Licht (Erlangen, Duitsland), heeft een nieuwe veelbelovende route vastgesteld naar resolutie van één molecuul in WGM-biosensoren gekoppeld aan gemanipuleerde of willekeurige plasmonische nanoantennes. Het gebruik van een willekeurige NP-laag heeft het voordeel van integratie in een microfluïdisch apparaat, en gouden NP's kunnen gemakkelijk worden gefunctionaliseerd met herkenningselementen zoals oligonucleotiden of eiwitten. De aanpak kan van belang zijn voor veel gebieden, waaronder medische biosensing en screening van geneesmiddelen.