金属ナノアンテナとグラフェンナノスリットを用いたタンパク質単分子膜およびサブ単分子膜のセンシングのためのメタサーフェス

Metasurface with metallic nanoantennas and graphene nanoslits for sensing of protein monolayers and sub-monolayers.

• Ming Ye
• Kenneth B Crozier

抄録

生体分子のセンシングは、基礎的な生物学的研究と医療診断アプリケーションの両方で重要な役割を果たしています。赤外（IR）分光法は、生体分子の吸収スペクトルを直接測定することにより、そのフィンガープリントを決定することができるため、生体分子を検出する機会を提供します。しかし、低濃度の生体分子の検出は、従来の赤外分光法では、S/N比を考慮する必要があるため困難である。これは、表面強化赤外分光法と呼ばれる方法で生体分子からの信号を高めるためにナノ構造化された表面の使用に最近の関心につながっている。これまでのところ、主に金属ナノアンテナ（これは大きなフィールド増強を生成する）またはグラフェンナノ構造（これは強いフィールド閉じ込めを生成し、電気的な調整可能性を提供する）の使用に関与しています。本研究では、金属ナノアンテナの大電界強調とグラフェンプラズモンの強電界閉じ込めと電気的可変性を組み合わせたナノ構造表面を提案します。本研究では、プラズモニックナノアンテナとグラフェンナノスリットを共振基板上に配列したデバイスを提案している。本研究では、提案するデバイスのセンシング性能を定量化するための系統的な電磁シミュレーションを行い、金属ナノアンテナやグラフェンのプラズモンのみを用いた設計よりも優れた性能を示すことを示した。本研究では、代表的なタンパク質であるヤギ抗マウス免疫グロブリンG(IgG)を単分子膜またはサブ単分子膜の形でモデル化した。これらの知見は、生体分子の高感度定量化と同定のための将来のバイオセンサーへの指針を提供するものである。

Biomolecule sensing plays an important role in both fundamental biological studies and medical diagnostic applications. Infrared (IR) spectroscopy presents opportunities for sensing biomolecules as it allows their fingerprints to be determined by directly measuring their absorption spectra. However, the detection of biomolecules at low concentrations is difficult with conventional IR spectroscopy due to signal-to-noise considerations. This has led to recent interest on the use of nanostructured surfaces to boost the signals from biomolecules in a method termed surface enhanced infrared spectroscopy. So far, efforts have largely involved the use of metallic nanoantennas (which produce large field enhancement) or graphene nanostructures (which produce strong field confinement and provide electrical tunability). Here, we propose a nanostructured surface that combines the large field enhancement of metallic nanoantennas with the strong field confinement and electrical tunability of graphene plasmons. Our device consists of an array of plasmonic nanoantennas and graphene nanoslits on a resonant substrate. We perform systematic electromagnetic simulations to quantify the sensing performance of the proposed device and show that it outperforms designs in which only plasmons from metallic nanoantennas or plasmons from graphene are utilized. These investigations consider the model system of a representative protein-goat anti-mouse immunoglobulin G (IgG) - in monolayer or sub-monolayer form. Our findings provide guidance for future biosensors for the sensitive quantification and identification of biomolecules.