[論文レビュー] 3D Nanoporous Antennas for high sensitivity IR plasmonic sensing

Calandrini, Eugenio, Giovannini, Giorgia+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Nanoporous metals and alloys被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、3次元ナノポーラスゴールド（NPG）アンテナが、近赤外域における電磁界の局在化が強化されることにより、4,000 nm/RIUを超える感受性を示す高感度赤外プラズモンセンシングを実現することを示している。この性能は、ALDを用いた制御されたSiO2堆積と、7ヒスチジンからなる短いペプチドの検出により検証され、超感受性バイオセンシング応用への可能性が確認された。

ABSTRACT

Nanoporous gold can be exploited as plasmonic material for enhanced spectroscopy both in the visible and in the near infrared spectral regions. In particular, with respect to bulk metal it presents interesting optical properties in the infrared where it presents a significantly higher field confinement with respect to conventional materials. This latter can be exploited to achieve extremely high sensitivity to the environment conditions, hence realizing interesting sensors. Here we compare the sensitivity of a plasmonic resonators made of nanoporous gold with a similar structures made of bulk metal. The experimental test of the enhanced sensitivity was performed by depositing the same stoichiometric quantity of dielectric material onto the two considered structures. The result, also confirmed by the biosensing of a short peptide, can be ascribed to the better field confinement and enhancement in porous metal. This suggests an application of nanoporous 3D structures as sensor platform in the near-infrared with sensitivity over 4.000 nm/RIU.

研究の動機と目的

• 3次元ナノポーラスゴールド（NPG）アンテナを用いた近赤外（NIR）検出に適した高感度プラズモンセンサープラットフォームの開発。
• 同一の実験条件下で、NPGを用いたプラズモン共鳴器とバルクゴールドを用いたもののセンシング性能を比較すること。
• 感受性の向上が、表面積体積比の増加に起因するのではなく、優れた場の局在化に起因するかどうかを調査すること。
• ドライ状態での低濃度バイオ分子（7ヒスチジンペプチドなど）の検出が、センサーの能力として可能かどうかを検証すること。

提案手法

• 既存のナノポーラスゴールド形成技術を用いて、同一の幾何形状（高さ500 nm、ピッチ1.25 µm）を持つ3次元垂直NPGおよびバルクゴールドアンテナの作製。
• 30°入射角のカッシグレイン・オブジェクティブを備えたフォーリエ変換赤外（FT-IR）反射顕微鏡を用いて、反射モードでの反射スペクトルを測定。
• NPGおよびバルクゴールド基板に順次原子層エピタクシー（ALD）でSiO2を1.4 nm刻みで堆積させ、化学化学ストイキオメトリックかつコンフォーマルな堆積を確保し、直接比較を可能にした。
• 多層膜ダイエレクトリック/金属系の有効媒体理論および界面条件を用いて、屈折率変化（Δn）を経験的に算出。
• APTES自己整列、スカシニルアンヒドライドによる活性化、およびEDC/NHSカップリングを用いた表面修飾プロトコルにより、さまざまな濃度のポリヒスチジンペプチドを固定化。
• 変化するアナリット負荷下でのプラズモン共鳴ピークのスペクトルシフトを分析し、nm/RIU単位での感受性を定量化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3次元ナノポーラスゴールドアンテナ構造は、近赤外プラズモンセンシングにおいてバルクゴールドよりも高い感受性を示すか？
• RQ2 感受性の向上の原因は、場の局在化か、表面積体積比の増加か？
• RQ3 NPGベースセンサーは、7ヒスチジンペプチドのような低濃度バイオ分子を高感度で検出可能か？
• RQ4 NPG薄膜および他のプラズモンプラットフォームに報告された値と比較して、NPG共鳴子の感受性はいかがなっているか？
• RQ5 設計されたナノ構造は、感受性とスペクトルチューナビリティのトレードオフにどの程度影響を及ぼすか？

主な発見

• NPGベースのプラズモン共鳴子は、同一条件下でバルクゴールドを大きく上回る4,000 nm/RIUを超える感受性を達成した。
• 感受性の向上は、主に多孔質構造に起因する優れた電磁界の局在化および増幅に起因し、表面積体積比の増加によるものではない。
• NPG上に2 nmのSiO2層を堆積させた場合、120 nmのスペクトルシフトが観察され、これは約4,000 nm/RIUの感受性に対応しており、外挿法により確認された。
• 本プラットフォームは、0.01 nMという極めて低い濃度の7ヒスチジンペプチドを効果的に検出でき、超感受性バイオセンシングへの応用可能性を示した。
• NPGにおける場の増幅は、表面付近（数ナノメートル以内）で最も強く、近接するアナリットと効率的に相互作用できる。
• 反射率フィッティングによりドレーブ・ローレンツモデルを用いて導出したNPGの誘電関数は、損失が低減され、皮膚深さが増加しており、より深い場の浸透と優れたアナリットプローブ能力を可能にした。