[論文レビュー] Enhancement of molecular coherent anti-Stokes Raman scattering with silicon nano-antennas

Shamsul Abedin, Li Yong+3 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2022

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications参考文献 55被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、熱的不安定性および形態的劣化を克服するため、プラズモン性金ナノ構造に代わる全ガラス性シリコンナノアンテナを用いて分子のコherent anti-Stokes Raman散乱（CARS）を実験的に増幅する初の報告を行った。シリコンベースのアンテナは10倍の信号増幅を実現し、著しく向上した安定性と二光子励起発光（TPEL）背景の低減を達成しており、再現性があり高速なバイオ分子センシングが可能になった。

ABSTRACT

Surface-enhanced coherent anti-Stokes Raman scattering (SE-CARS) takes advantage of surface plasmon resonances supported on metallic nanostructures to amplify the coherent Raman response of target molecules. While these metallic antennas have found significant success in SE-CARS studies, photo-induced morphological changes to the nanoantenna under ultrafast excitation introduce significant hurdles in terms of stability and reproducilibty. These hurdles need to be overcome in order to establish SE-CARS as a reliable tool for rapid biomolecular sensing. Here we address this challenge by performing molecular CARS measurements enhanced by nanoantennas made from high-index dielectric particles with more favorable thermal properties. We present the first experimental demonstration of enhanced molecular CARS signals observed at Si nano-antennas, which offer much improved thermal stability compared to their metallic counterparts.

研究の動機と目的

• 超短パルス励起下でプラズモン性金属ナノアンテナを用いた表面増強CARS（SE-CARS）の不安定性および再現不能性を解消すること。
• 金属ナノ構造における光誘発形態変化および局所加熱が信号の再現性を損なう要因となるのを克服すること。
• シリコンなどの高屈折率の誘電体材料を、CARS信号を増幅する安定な代替手段として探求すること。
• プラズモン性金ナノダムボーくらべて、全ガラス性ナノジョイントで信号安定性が向上し、背景発光が低減することを実証すること。
• 安定的かつ再現可能なSE-CARSプラットフォームを実現し、高速なバイオ分子スクリーニングを可能とすること。

提案手法

• 150 nmの直径を有するピリジン修飾シリコンナノ粒子をスピンコーティング法でBK7カバースリップ上に形成し、シリコンナノアンテナをプロセスした。
• スピンコーティング中に自然発生する粒子凝集によりナノジョイントを形成し、光学場の閉じ込めを実現するナノキャビティを生成した。
• 高屈折率および低光学損失を特徴とする全ガラス性シリコンナノアンテナを用いて、強い電流密度と光学場の閉じ込めを実現した。
• 信号増幅および背景評価のため、参考として金ナノダムボー（90 nmの金ナノスフィアにBPEリンクヤーおよびSiO2被膜を施したもの）を用いて比較した。
• 800 nmおよび1040 nmの超短パルスレーザーを用いてCARS信号を励起し、420 nmでアンチストokes信号を検出した。
• 信号増幅度、時間経過に伴う安定性、および二光子励起発光（TPEL）背景レベルの定量的分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全ガラス性シリコンナノアンテナは、プラズモン性金ナノアンテナと同等またはそれ以上のCARS信号増幅を実現できるか？
• RQ2 超短パルス励起下において、シリコンナノアンテナを用いることで金属アンテナと比べて熱的劣化および形態的変化が顕著に低減されるか？
• RQ3 プラズモン性金を誘電体シリコンに置き換えた場合、CARS測定におけるTPEL背景はどの程度低減されるか？
• RQ4 dielectricナノジョイントを用いることで、高速バイオ分子センシング用途に適した安定的かつ再現可能なCARS信号が得られるか？
• RQ5 同一実験条件下で、dielectric増幅CARSの信号対背景比は、プラズモン性増幅CARSと比べてどのように異なるか？

主な発見

• 本研究では、全ガラス性シリコンナノアンテナを用いた分子CARSの増幅に関する初の実験的報告を行い、バーサブストレート比で約10倍の信号増幅を達成した。
• シリコンナノアンテナは、繰り返しのレーザー照射後でも劣化が著しく少なく、信号の時間的安定性が著しく向上しており、プラズモン性金ナノダムボーとは異なり急速な信号減衰を示さない。
• シリコンベースのシステムでは、金ベースの参照システムと比べて二光子励起発光（TPEL）背景が顕著に低減されており、クリアな分子信号検出が可能になった。
• 高屈折率誘電体材料（例：シリコン）を用いることで、電子トンネル効果や高局所加熱を伴わない、電流密度とミエ共鳴を介した強い光学場閉じ込めが可能となった。
• シリコンナノジョイントからの測定CARS信号は、複数回のレーザー走査においても安定しており、光誘発損傷および形態的変化に対する耐性が確認された。
• 結果として、誘電体ナノアンテナは、コherent Ramanセンシング用途において、信号の再現性および長期的安定性という点でプラズモンナノ構造を凌駕できることを示した。