Kontseptsiya sobirayushchey metalinzy na chipe v kachestve miniatyurnogo sensora fluorestsentsii odinochnykh molekul

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Флуоресцентная спектроскопия одиночных молекул имеет фундаментальную значимость для обнаружения малого количества вещества и изучения молекулярных динамических процессов. Однако применения данного метода в медицине требуют новых решений по миниатюризации сенсорной платформы. Наиболее перспективным направлением в данной области представляется создание фотонных интегральных схем с высокой эффективностью детектирования молекул в объеме порядка кубического микрометра. В данной работе мы представляем концепцию по созданию диэлектрической металинзы на волноводе, обладающей высокой эффективностью фокусирования/сбора излучения из водного раствора. Промоделирована структура металинзы с числовой апертурой выше 1.1, работающей в видимом диапазоне, в окрестности максимума флуоресценции биологической метки Alexa Fluor 647. После расчета эффективности детектирования молекул, проведены расчеты автокорреляционных функций диффузии Alexa Fluor 647, характеризующие возможность измерения яркости, количества и динамики одиночных молекул в фокальном объеме металинзы. Данная концепция закладывает основу для разработки будущих сенсоров одиночных молекул в качестве средств биомедицины и скрининга окружающей среды.

References

  1. H. Miller, Z. Zhou, J. Shepherd, A. J. Wollman, and M.C. Leake, Rep. Prog. Phys. 81, 024601 (2017).
  2. E. Mauriz and L.M. Lechuga, Biosensors 11, 123 (2021).
  3. И.С. Осадько, ЖЭТФ 131, 978 (2007).
  4. А.О. Савостьянов, И.Ю. Ерёмчев, А.А. Горшелев, А.В. Наумов, А.С. Старухин, Письма в ЖЭТФ 107, 426 (2018).
  5. N. Kovalets, E. Kozhina, I. Razumovskaya, S. Bedin, A. Piryazev, Y.V. Grigoriev, and A. Naumov, J. Chem. Phys. 156(3), 1 (2022).
  6. D.M. Rissin, C.W. Kan, T.G. Campbell, S.C. Howes, D.R. Fournier, L. Song, T. Piech, P.P. Patel, L. Chang, A. J. Rivnak, E.P. Ferrell, J.D. Randall, G.K. Provuncher, D.R. Walt, and D.C. Duffy, Nat. Biotechnol. 28, 595 (2010).
  7. H. Brinkerhoff, A. S. Kang, J. Liu, A. Aksimentiev, and C. Dekker, Science 374, 1509 (2021).
  8. Y.-L. Ying, Z.-L. Hu, S. Zhang, Y. Qing, A. Fragasso, G. Maglia, A. Meller, H. Bayley, C. Dekker, and Y.-T. Long, Nat. Nanotechnol. 17, 1136 (2022).
  9. G.-N.W. Gomes, M. Krzeminski, A. Namini, E.W. Martin, T. Mittag, T. Head-Gordon, J.D. Forman-Kay, and C.C. Gradinaru, J. Am. Chem. Soc. 142, 15697 (2020).
  10. S.-C. Liu, Y.-L. Ying, W.-H. Li, Y.-J. Wan, and Y.-T. Long, Chem. Sci. 12, 3282 (2021).
  11. I. Osad’ko, JETP Lett. 107, 725 (2018).
  12. H. He, C. Wu, M. Saqib, and R. Hao, Anal. Bioanal.
  13. Chem. 415, 3655 (2023).
  14. L. Skolrood, Y. Wang, S. Zhang, and Q. Wei, Sensors and Actuators Reports 4, 100063 (2022).
  15. E. Macchia, F. Torricelli, M. Caputo, L. Sarcina, C. Scandurra, P. Bollella, M. Catacchio, M. Piscitelli, C. Di Franco, G. Scamarcio, and L. Torsi, Adv. Mater. 36, 2309705 (2024).
  16. J.W. Brown, A. Bauer, M.E. Polinkovsky, A. Bhumkar, D. J. Hunter, K. Gaus, E. Sierecki, and Y. Gambin, Nat. Commun. 10, 5662 (2019).
  17. A. Ozcan and E. McLeod, Annu. Rev. Biomed. Eng. 18, 77 (2016).
  18. A. Barulin, Y. Kim, D.K. Oh, J. Jang, H. Park, J. Rho, and I. Kim, Nat. Commun. 15, 26 (2024).
  19. K. Trofymchuk, V. Glembockyte, L. Grabenhorst et al . (Collaboration), Nat. Commun. 12, 950 (2021).
  20. S. Dey, M. Dolci, and P. Zijlstra, ACS Physical Chemistry Au 3, 143 (2023).
  21. A. Valitova, A. Gazizov, and M.K. Salakhov, Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. Physics 86, S239 (2022).
  22. A. Panov, Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 86, S163 (2022).
  23. K.V. Baryshnikova, S. S. Kharintsev, P.A. Belov, N.A. Ustimenko, S.A. Tretyakov, and C.R. Simovski, Phys.-Uspekhi 65, 355 (2022).
  24. M. Khorasaninejad and F. Capasso, Science 358, eaam8100 (2017).
  25. P.-Y. Hsieh, S.-L. Fang, Y.-S. Lin, W.-H. Huang, J.-M. Shieh, P. Yu, and Y.-C. Chang, Nanophotonics 11, 4687 (2022).
  26. Y. Ding, X. Chen, Y. Duan, H. Huang, L. Zhang, S. Chang, X. Guo, and X. Ni, ACS Photonics 9, 398 (2022).
  27. L. Deng, Z. Cai, and Y. Liu, Nano Lett. 24, 9042 (2024).
  28. H. Huang, A.C. Overvig, Y. Xu, S.C. Malek, C.-C. Tsai, A. Al´u, and N. Yu, Nat. Nanotechnol. 18, 580 (2023).
  29. J. Wenger, D. G´erard, J. Dintinger, O. Mahboub, N. Bonod, E. Popov, T.W. Ebbesen, and H. Rigneault, Opt. Express 16, 3008 (2008).
  30. I. Gombos, G. Steinbach, I. Pomozi, A. Balogh, G. V´amosi, A. Gansen, G. L´aszl´o, G. Garab, and J. Matk´o, Cytometry Part A: The Journal of the International Society for Analytical Cytology 73, 220 (2008).
  31. S.-M. Seo, S.-W. Kim, J.-N. Park, J.-H. Cho, H.-S. Kim, and S.-H. Paek, Biosens. Bioelectron. 83, 19 (2016).
  32. J. Grgi´c, E. Campaioli, S. Raza, P. Bassi, and N.A. Mortensen, Opt. Quantum Electron. 42, 511 (2011).
  33. L.-L. Lin, Z.-Y. Li, and B. Lin, Phys. Rev. B 72, 165330 (2005).
  34. W.-P. Huang, J. Opt. Soc. Am. A 11, 963 (1994).
  35. M. F. Limonov, M.V. Rybin, A.N. Poddubny, and Y. S. Kivshar, Nat. Photonics 11, 543 (2017).
  36. M. Benzaouia, J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson, and A. Karalis, Phys. Rev. Res. 3, 033228 (2021).
  37. C. Sauvan, J. P. Hugonin, I. S. Maksymov, and P. Lalanne, Phys. Rev. Lett. 110, 237401 (2013).
  38. P.T. Kristensen, R.-C. Ge, and S. Hughes, Phys. Rev. A 92, 053810 (2015).
  39. A. Barulin, H. Park, B. Park, and I. Kim, Photoacoustics 32, 100545 (2023).
  40. M. Khorasaninejad, A.Y. Zhu, C. Roques-Carmes, W.T. Chen, J. Oh, I. Mishra, R.C. Devlin, and F. Capasso, Nano Lett. 16, 7229 (2016).
  41. M. Benzaouia, J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson, and A. Karalis, in 2021 Fifteenth International Congress on Artificial Materials for Novel Wave Phenomena (Metamaterials), IEEE, N.Y. (2021), p. 47.
  42. R. J. Potton, Rep. Prog. Phys. 67, 717 (2004).
  43. W. Barnes, G. Bj¨ork, J. G´erard, P. Jonsson, J. Wasey, P. Worthing, and V. Zwiller, The European Physical Journal D: Atomic, Molecular, Optical and Plasma Physics 18, 197 (2002).
  44. A. Barulin and I. Kim, Opt. Express 31, 12162 (2023).
  45. D.W¨ustner, T. Christensen, L.M. Solanko, and D. Sage, Molecules 19, 11096 (2014).
  46. C. Eggeling, A. Volkmer, and C.A. Seidel, ChemPhysChem 6, 791 (2005).
  47. H. Qian, Biophysical Chemistry 38, 49 (1990).
  48. R. Regmi, J. Berthelot, P.M. Winkler, M. Mivelle, J. Proust, F. Bedu, I. Ozerov, T. Begou, J. Lumeau, H. Rigneault, and M. F. Garc´ıa-Paraj´o, Nano Lett. 16, 5143 (2016).
  49. М. Г. Гладуш, Т.А. Аникушина, А.А. Горшелев, Т.В. Плахотник, А.В. Наумов, ЖЭТФ 155, 771 (2019).
  50. S. Kharintsev, E. Battalova, V. Mkhitaryan, and V. Shalaev, Opt. Mater. Express 14, 2017 (2024).
  51. A.V. Naumov, A.A. Gorshelev, M. Gladush, T. Anikushina, A. Golovanova, J. Kohler, and L. Kador, Nano Lett. 18, 6129 (2018).
  52. C. van Zanten, D. Melnikau, and A.G. Ryder, Journal of Fluorescence 31, 835 (2021).
  53. M. Sanaee, E. Sandberg, K.G. Ronquist, J.M. Morrell, J. Widengren, and K. Gallo, Small 18, 2106241 (2022).
  54. R. Szatanek, M. Baj-Krzyworzeka, J. Zimoch, M. Lekka, M. Siedlar, and J. Baran, Int. J. Mol. Sci. 18, 1153 (2017).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Российская академия наук

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».