Jak optymalizacja procesów hybrydyzacji i detekcji DNA za pomocą nanopartkuł złota może poprawić czułość i zakres wykrywalności?

Efektywność detekcji DNA za pomocą nanopartkuł złota (AuNP) może zostać znacznie zwiększona dzięki immobilizacji cząsteczek DNA na powierzchni AuNP poprzez hybrydyzację z odpowiednimi sondami DNA (Pr2/Pr3). Takie podejście zapewnia nie tylko poprawę czułości, ale także umożliwia precyzyjne rozdzielenie różnych form multimerycznych DNA, jak monomery, dimery czy trimery. Przykłady zastosowania tego procesu można zaobserwować w mikrografach TEM, które ukazują cząsteczki z różnych pasm elektroforetycznych, reprezentujących monomery, dimery i trimery.

Badania wykazały, że po hybrydyzacji cząsteczki AuNP tworzą stabilne struktury, których wielkość i jednorodność powierzchniowa są zachowane. W przypadku dimera i trimera, odległość między cząsteczkami wynosi 13 nm, co nie prowadzi do przesunięcia rezonansu plazmonu powierzchniowego (LSPR), ponieważ jest to odległość zbyt duża, by zachodziła interakcja międzycząsteczkowa. Potwierdzenie tych wyników uzyskano na podstawie pomiarów spektroskopowych oraz analiz rozmiaru cząsteczek przy użyciu dyfrakcji laserowej (DLS). Równocześnie, przy pomocy mikroskopii krio-TEM, uzyskano obrazy przedstawiające monomery, dimery i trimery AuNP, które potwierdzają, że struktury te są stabilne i jednorodne.

Podstawowym celem zastosowania tej technologii w diagnostyce jest uzyskanie wysoce czułego i precyzyjnego narzędzia do wykrywania DNA. Po przeprowadzeniu elektroforezy z próbkami różnej koncentracji DNA (od 0,6 do 5000 pM), wykazano, że tworzenie dimerów, trimerów i tetramerów w zależności od stężenia cząsteczek docelowego DNA pozwala na stworzenie krzywej kalibracyjnej, która może być używana do ilościowego pomiaru stężenia DNA. Przy stężeniach wyższych niż 156 pM obserwowano pojawianie się wyższych multimerycznych form, co skutkowało odchyleniami od wykresu zależności mocy (power law).

Również badania nad zmiennością rozmiaru i koncentracji cząsteczek AuNP wykazały, że optymalizacja tych parametrów ma kluczowe znaczenie dla uzyskania szerokiego zakresu wykrywalności oraz czułości metody. Wprowadzenie do procesu zmiennych parametrów, takich jak powierzchniowa gęstość sond DNA czy wielkość cząsteczek AuNP, umożliwia dostosowanie zakresu wykrywania oraz minimalizację wpływu agregacji, która mogłaby zniekształcić wyniki analizy.

W szczególności, dla uzyskania maksymalnej czułości wykrywania w zakresach poniżej 1 pM, istotna jest dokładna kontrola nad procesem hybrydyzacji i formowaniem dimerów. Powyżej stężenia 156 pM dominują agregaty, które uniemożliwiają dokładne określenie koncentracji DNA. Badania pokazały również, że optymalizacja stężenia cząsteczek AuNP oraz sond DNA, przy zachowaniu odpowiedniej równowagi między nimi, może skutkować bardziej efektywną detekcją w szerszym zakresie stężeń DNA.

Należy podkreślić, że nie tylko rozmiar i koncentracja cząsteczek AuNP mają znaczenie, ale także dobór odpowiednich sond DNA i ich właściwa modyfikacja chemiczna. Wprowadzenie różnych typów sond (Pr1–Pr4) oraz kontrolowanie stosunku ich liczby do powierzchni AuNP pozwala na uzyskanie optymalnych wyników w zależności od wymaganej czułości detekcji. Procesy te, choć złożone, oferują ogromny potencjał w kontekście szybkiej i precyzyjnej diagnostyki molekularnej.

Właściwości dimera AuNP i ich zastosowanie w czujnikach molekularnych

Dyfuzja translacyjna dimera AuNP wykazuje się charakterystycznym sygnałem przy około 64 nm, co odpowiada średnicy cząstki „sferycznej” równej „dumbbell” dimerowi w odniesieniu do ruchu dyfuzyjnego. Rozkład wielkości cząsteczek dla R5 do R15 jest bardzo podobny, co potwierdza jednorodność dimera. Sygnał pojawiający się przy 9 nm wynika z rotacyjnej dyfuzji dimera. Ponieważ dimer wykazuje wyraźną anizotropowość optyczną pomiędzy trybami podłużnym i poprzecznym, rotacyjny ruch powoduje istotne fluktuacje w rozpraszanym świetle, co z kolei prowadzi do pojawienia się szczytu korelacji w opóźnieniu odpowiadającym czasowi rotacyjnej dyfuzji. Anizotropowość optyczna oraz wynikająca z niej intensywność sygnału rosną wraz ze zmniejszeniem odległości międzycząsteczkowej (długość łańcucha alkilowego), co jest zgodne z wynikiem większego przesunięcia w czerwieni trybu podłużnego przy redukcji tej odległości.

Badania przeprowadzono również dla tworzenia multimerów przy użyciu AuNP o różnych średnicach, w tym 20, 30, 50, 60 i 80 nm, modyfikowanych R5, R7, R10 oraz R15. Stężenie NaCl w buforze modyfikującym oraz buforze wiążącym zostało zoptymalizowane, zależnie od wielkości AuNP, w celu maksymalizacji wydajności formowania dimerów, unikając niepożądanej agregacji cząsteczek AuNP. Równocześnie potwierdzono jednolitość multimerów na szerokim zakresie wielkości AuNP, co przejawiało się wyraźnym rozdziałem pasm elektroforezy oraz systematyczną zmianą odpowiedzi kolorystycznej i przesunięcia szczytu dimera w zależności od długości łańcucha alkilowego.

Zjawisko przesunięcia w czerwieni trybu podłużnego staje się mniej wyraźne w przypadku mniejszych cząsteczek AuNP. Jest to wynikiem tego, że skala przesunięcia w czerwieni jest wrażliwa na względną odległość pomiędzy cząstkami AuNP (stosunek odległości międzycząsteczkowej do średnicy cząstki) oraz jej absolutną wartość. Symulacje FDTD dotyczące spektroskopii absorpcyjnej dimerów AuNP w wodzie, dla różnych rozmiarów cząsteczek i odległości międzycząsteczkowych, pozwalają uzyskać dane dotyczące tych zależności. Zidentyfikowano dwie potencjalne mechanizmy tworzenia multimerów: jeden bazujący na wiązaniach wodorowych między końcami COOH-alkanotioli, a drugi oparty na interakcjach van der Waalsa między łańcuchami alkilowymi.

W przypadku obecności wiązań wodorowych i tworzenia dwuwarstwowej struktury, odległość międzycząsteczkowa powinna wynosić około dwukrotności długości COOH-alkanotiolu, co oznacza, że powinna być większa niż 2,0, 2,8, 4,0 oraz 6,0 nm dla R5, R7, R10 oraz R15. Jednakże odległość międzycząsteczkową, oszacowaną za pomocą mikroskopii TEM, jest bliska długości pojedynczego COOH-alkanotiolu, co sugeruje, że bardziej prawdopodobna jest interakcja van der Waalsa między łańcuchami alkilowymi.

Aby lepiej zrozumieć mechanizm wiązania, przeprowadzono spektroskopię Ramana mikro-Ramana dimerów 40-nm AuNP modyfikowanych R5 do R15 w zawiesinie. Objętość pola badawczego była mniejsza niż (1 μm)³, co oznacza, że spektroskopia Ramana była przeprowadzana dla pojedynczego dimera w ruchu Brownowskim w danym czasie. Wzmacnianie pola w obszarze interakcji międzycząsteczkowych umożliwia selektywne wzmocnienie sygnału Ramana, który pochodzi z oddziałujących COOH-alkanotioli, tworzących dimer. Najkrótsza odległość międzycząsteczkowa (R5) generuje najsilniejszy sygnał Ramana, podczas gdy intensywność sygnału drastycznie maleje wraz ze zwiększeniem odległości gapu, co również potwierdza, że sygnał Ramana z regionu gapu jest wyraźnie wyróżniony.

Obserwacje wykonane w tej pracy mogą być pomocne w aplikacjach z zakresu SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering), w szczególności w kontekście tworzenia pułapek dla molekuł analitycznych, które mogą zostać umieszczone w przestrzeni gapu między dimerami AuNP, tworząc coś w rodzaju „klatki” umożliwiającej pomiar na poziomie pojedynczej cząsteczki.

Przeprowadzona optymalizacja modyfikacji powierzchni AuNP pozwoliła na uzyskanie zarówno dobrej rozpraszalności, jak i wysokiej efektywności hybrydyzacji, co stanowi fundament pod stworzenie platformy AuNP do przeprowadzania bardzo czułych testów DNA w warunkach jednofazowych. Zastosowanie powierzchniowo modyfikowanych AuNP z różnymi alkanotiolami umożliwia zwiększenie gęstości ładunku powierzchniowego i uzyskanie odpowiednich interakcji odpychających. Modyfikacja ta sprawia, że powierzchnia staje się hydrofobowa i sprzyja wydłużeniu ssDNA, co z kolei zwiększa efektywność hybrydyzacji. Wprowadzenie oligoetylenglikolu do alkanotiolu zapobiega niespecyficznemu wiązaniu spowodowanemu splątaniem łańcuchów alkilowych. Z kolei wprowadzenie grupy terminalnej COOH na powierzchni AuNP skutecznie blokuje niespecyficzne wiązanie i zapewnia wysoką efektywność hybrydyzacji. Uzyskano w ten sposób platformę AuNP, która pozwala na wykrycie docelowego DNA przy bardzo niskim poziomie detekcji, wynoszącym zaledwie 1 pM.

Ta strategia stanowi obiecującą metodę prostych, szybkich i praktycznych testów DNA, szczególnie w zastosowaniach klinicznych, gdzie wysoka czułość i łatwość przeprowadzania testów są kluczowe.

Jak nanokawitki fotonowe wpływają na osiągi lasera Ramanowskiego na krzemie?

W 2005 roku zaprezentowano pierwsze demonstracje działania lasera Ramanowskiego na krzemie w trybie ciągłym przy temperaturze pokojowej. Zmniejszenie progu zapłonu i miniaturyzacja urządzeń stały się kluczowe dla zastosowań w układach optoelektronicznych opartych na krzemie. Aby zrealizować te cele, skuteczne okazało się zastosowanie rezonatorów o wysokich współczynnikach jakości (Q) i małych objętościach modalnych. Czas, przez który foton pozostaje w rezonatorze, zanim zostanie zaabsorbowany lub ucieknie, jest proporcjonalny do współczynnika jakości, a gęstość fotonów w rezonatorze rośnie, gdy jego objętość maleje. Oznacza to, że w rezonatorach o wysokim Q i małych objętościach fotony mogą skutecznie oddziaływać z materiałem. Właściwości te wskazują, że siła interakcji światła z materią jest proporcjonalna do współczynnika jakości rezonatora, a odwrotnie proporcjonalna do jego objętości.

Zgodnie z ogólnymi zasadami optyki promieniowej zmniejszenie objętości rezonatora skutkuje obniżeniem współczynnika jakości. Dzieje się tak, ponieważ szybkie zmiany pola elektromagnetycznego na brzegach rezonatora zwiększają składniki światła, które nie spełniają warunków całkowitego odbicia na granicy materiału rezonatora i otoczki. W fotonowych nanokawitkach jednak, rozkład pola elektromagnetycznego na krawędziach może być precyzyjnie dostosowany poprzez odpowiednie umiejscowienie otworów powietrznych w strukturze fotonowej. W wyniku różnych usprawnień udało się uzyskać nanokawitki o objętości równej długości fali, a teoretyczne współczynniki Q przekraczające 100 milionów zostały osiągnięte. Eksperymentalnie zaobserwowano Q rzędu 10^8, a w nanokawitkach wytworzonych w procesach zgodnych z CMOS osiągnięto Q powyżej trzech milionów.

Po wykazaniu działania lasera Ramanowskiego na krzemie z wykorzystaniem prowadnicy typu "rib", zaproponowano rozwój lasera Ramanowskiego opartego na nanokawitkach fotonowych. Jednak nie znaleziono jeszcze odpowiedniej struktury kawitki, która spełniałaby wszystkie wymagania dla lasera tego typu. Oprócz wymogu wysokich współczynników jakości dla obu trybów - pompy i Stokes'a, konieczne było spełnienie dodatkowych warunków: dopasowanie częstotliwości pompy i Stokes'a do przesunięcia Ramana dla krzemu, a także zwiększenie efektywności wzmacniania Ramana poprzez odpowiedni rozkład pola elektromagnetycznego.

Pierwsza obserwacja spontanicznego rozpraszania Ramana z wysokiej jakości nanokawitki została dokonana w 2011 roku, wykazując, że efektywność tego procesu wzrasta dzięki wysokiemu współczynnikowi jakości nanokawitki. Dalsze badania wykazały, że struktura nanokawitki fotonowej zbudowana na bazie linii defektów w fotonicznych strukturach kryształów może efektywnie konfinować zarówno światło pompy, jak i rozproszone światło Ramana, wytwarzając tym samym lasery o wyjątkowo niskim progu zapłonu.

W nanokawitkach fotonowych wykorzystywanych do lasera Ramanowskiego istotnym czynnikiem jest projekt samej struktury, który może prowadzić do zwiększenia wydajności w bardzo małych zakresach mocy wejściowej. Odpowiednia konstrukcja nanokawitki, przy której zachowana zostaje równowaga pomiędzy efektywnością wzmacniania Ramana i stratami indukowanymi przez nieliniowe efekty, takie jak TPA (dwufotonowa absorpcja), pozwala na osiąganie działania lasera przy niskich mocach wejściowych. Co więcej, odpowiednie projektowanie struktury nanokawitki pozwala na uzyskanie efektywności rzędu 1000 razy wyższej powyżej progu zapłonu, co znacząco poprawia jakość urządzenia.

Współczesne lasery Ramanowskie oparte na nanokawitkach fotonowych oferują znaczne zalety w kontekście miniaturyzacji urządzeń i integracji z układami krzemowymi, będąc obiecującym rozwiązaniem w dziedzinie fotoniki. Niemniej jednak, aby w pełni wykorzystać potencjał tych technologii, niezbędne jest dalsze doskonalenie procesów wytwarzania nanokawitek, zwłaszcza z wykorzystaniem nowoczesnych metod, takich jak optymalizacja przy użyciu sztucznej inteligencji, co pozwala na jeszcze dokładniejsze dostosowanie parametrów strukturalnych do wymagań danej aplikacji.

Ważne jest, aby przy projektowaniu takich systemów uwzględnić również problemy związane z dyspersją materiału i efektami termicznymi, które mogą wpływać na stabilność i wydajność urządzeń optoelektronicznych. Współczesne badania nad Ramanowskimi laserami na krzemie ukierunkowane są na uzyskiwanie coraz wyższych współczynników jakości i obniżenie progu zapłonu, co umożliwi dalszy rozwój tej technologii w kierunku praktycznych zastosowań w systemach komunikacyjnych, medycynie oraz innych dziedzinach nauki i przemysłu.

Jak osiągnąć niski próg mocy w laserach ramana na bazie nanokawitacji krzemowej?

Efektywność lasera ramana zależy od wielu czynników, w tym od właściwości samej kawitacji nanoskali oraz od zastosowanej długości fali. Jednym z istotniejszych aspektów, które wpływają na działanie tego typu laserów, jest objętość trybu i współczynnik tłumienia drugorzędowego pochłaniania (TPA). Zgodnie z badaniami, objętość efektywnego trybu dla TPA jest odwrotnie proporcjonalna do trzeciej potęgi długości fali λ, co oznacza, że krótsze długości fali sprzyjają zmniejszeniu objętości trybu i potencjalnie mogą zmniejszać straty wynikające z tego efektu. Z kolei współczynnik TPA (β) jest odwrotnie proporcjonalny do długości fali λ, co może prowadzić do zmniejszenia strat w procesach nieliniowych przy krótszych długościach fal. W kontekście lasera ramana na krzemowej nanokawitacji, te efekty są jednak stosunkowo małe, a gęstość nośników wynosi około 2,36×10^15 cm^-3, co pozostaje na poziomie względnie niewielkim, co może być kluczowe w kwestii uzyskiwania niskiego progu mocy.

Kolejnym czynnikiem, który warto wziąć pod uwagę, jest stosunkowo mała objętość samej kawitacji nanoskali. Może to prowadzić do skrócenia czasu życia nośników z powodu wysokiego stosunku powierzchni do objętości. Taki efekt może być niekorzystny, ponieważ skrócony czas życia nośników zmniejsza efektywność generacji lasera. Ponadto, w przypadku zastosowania nanokawitacji o wysokim współczynniku jakości (Q), mniejsze objętości mogą prowadzić do mniejszych strat energii oraz zwiększenia efektywności w zakresie samego wzbudzania lasera ramana. Ważnym aspektem jest również zmniejszenie progu mocy lasera, który w przypadku tego typu technologii może wynosić zaledwie kilkadziesiąt nW, co czyni je atrakcyjnymi w kontekście integracji na chipie.

W kontekście technologii lasera ramana na krzemowej nanokawitacji, uzyskanie niskiego progu mocy oraz wysokiej efektywności wymaga dalszego optymalizowania konstrukcji nanokawitacji. Zmiany takie jak dostosowanie długości fal, szerokości rowków fotonowych, a także optymalizacja powierzchni i jakości materiałów, są kluczowe dla poprawy parametrów wydajnościowych lasera. Istotne jest również dobranie odpowiedniego materiału ekscytatora, takiego jak diody superluminescencyjne oparte na kropkach kwantowych InAs, które mogą mieć znaczący wpływ na stabilność działania lasera oraz jego próg mocy.

Optymalizacja takich układów fotonowych, jak lasery ramana działające w paśmie O oraz C, jest możliwa dzięki zastosowaniu fotonicznych kryształów o wysokiej jakości. Badania wykazały, że dla lasera działającego w paśmie O wartość Qp (współczynnika jakości pompy) osiąga 1,95×10^5, a dla lasera w paśmie C – 1,28×10^5. Wartości te wskazują na wysoką jakość urządzeń, co zapewnia wystarczającą wydajność do generacji lasera ramana. Dodatkowo, dzięki zaawansowanym technikom litografii elektronowej oraz etchingowi plazmowemu, możliwe jest precyzyjne formowanie struktur nanoskali, co pozwala na dalszą poprawę efektywności i zmniejszenie strat nieliniowych.

Warto zauważyć, że nanokawitacje fotonowe oparte na fotonach mają duży potencjał do integracji w nowych układach optycznych, zwłaszcza w urządzeniach fotoniki na chipie. Kluczowe w tym kontekście jest opracowanie technologii, które pozwalają na uzyskanie różnych długości fali w jednej strukturze, co umożliwia uzyskanie urządzeń wielofunkcyjnych. Przykładem są lasery działające w pasmach O oraz C, które mogą być zintegrowane w jednej układzie chipowym, co daje duże możliwości w zastosowaniach takich jak komunikacja optyczna oraz detekcja.

Aby poprawić efektywność lasera ramana, warto również zwrócić uwagę na optymalizację procesów etchingowych i wzrost jakości materiałów używanych do budowy nanostruktur. W tym kontekście, odpowiednia modyfikacja parametrów etchingowych, takich jak prędkość etchingowania oraz kontrolowanie detali w strukturze nanokawitacji, może mieć decydujący wpływ na uzyskiwane wyniki.

Jak zachowanie ekscytonów w nanostrukturach może wpłynąć na plazmony powierzchniowe i ich interakcje?

W eksperymentach z dwuwymiarową spektroskopią elektroniczną (2DES) przeprowadzonych na hybrydowej strukturze plazmonicznej, której częścią była złota siatka nanoslitu pokryta cienką warstwą filmów J-agregowanych, zidentyfikowano zjawisko szybkiej wymiany energii między ekscytonami a plazmonami powierzchniowymi (SPP). Początkowo zakładało się, że ta wymiana odbywa się tylko w ramach silnego sprzężenia między tymi dwoma układami. Wyniki eksperymentów wykazały jednak, że zjawisko to jest znacznie bardziej złożone, obejmując nie tylko transfer energii między ekscytonami i SPP, ale również koherentny transfer energii na dużą odległość pomiędzy ekscytonami znajdującymi się w różnych obszarach nanostruktury, z pośrednictwem pola plazmonowego.

Złota siatka nanoslitu, o grubości 200 nm, pełniła funkcję nano-zbiornika, który lokalnie ograniczał pola optyczne i wzmacniał ich sprzężenie z momentem dipolowym ekscytonów w obrębie struktury. Przy odpowiednim doborze wymiarów nanostruktury – szerokości i wysokości szczelin (45 nm) oraz okresu (530 nm) – uzyskano ostre rezonanse SPP. Eksperymenty wykazały, że przy odpowiednich kątach padania światła zachodziło wyraźne sprzężenie między ekscytonami a plazmonami, skutkujące powstaniem układów polarytonów, które były mieszanką stanów ekscytonów i plazmonów powierzchniowych.

Wyniki eksperymentów wskazały na powstawanie dwóch głównych gałęzi polarytonów: górnej (UP) i dolnej (LP). W pobliżu punktu przecięcia tych gałęzi zaobserwowano silne przesunięcia energetyczne, zwane rozszczepieniem normalnych trybów. Analiza eksperymentalna wykazała również, że polarytony górne i dolne współistnieją z "nie sprzężonymi" ekscytonami, które, mimo że tylko słabo oddziałują z polem plazmonowym, także przyczyniają się do całościowego obrazu eksperymentalnego.

Zjawisko, w którym "nie sprzężone" ekscytony, znajdujące się w obszarach o mniejszym wzmocnieniu lokalnego pola, mimo wszystko wykazują interakcje z polarytonami, jest niezwykle interesujące. Wydaje się, że te ekscytony, mimo przestrzennego oddzielenia od tych związanych z polem SPP, mogą również przyczyniać się do obserwowanych nieliniowości polarytonów. Zaskakująco silne sygnały z tych ekscytonów sugerują, że nawet słabe sprzężenie może wywołać znaczące zmiany w dynamice układu.

W badaniach użyto również symulacji numerycznych opartych na metodzie różnic skończonych w czasie (FDTD), które potwierdziły obserwacje eksperymentalne. Modele te pokazały rozkład pola elektrycznego w różnych częściach nanostruktury, uwzględniając zarówno obecność cienkiej warstwy dielektrycznej, jak i wpływ samej złotej powierzchni. Warto dodać, że te szczegóły teoretyczne pozwalają na głębsze zrozumienie mechanizmów wzmacniania pola optycznego w obrębie nanostruktur oraz ich wpływu na interakcje plazmonów i ekscytonów.

Wszystkie te obserwacje podkreślają wagę precyzyjnego modelowania interakcji między ekscytonami a polarytonami w nanostrukturach, zwłaszcza w kontekście eksperymentalnych układów hybrydowych, gdzie rolę odgrywa zarówno materiał organiczny, jak i plazmoniczny. Dalsze badania nad tymi zjawiskami mogą otworzyć drogę do nowych technologii w dziedzinie optoelektroniki, szczególnie w zakresie urządzeń opartych na kwantowej technologii informacji, gdzie kontrolowanie transferu energii na poziomie nanostruktur ma kluczowe znaczenie.