[論文レビュー] Evanescent single-molecule biosensing with quantum limited precision

Nicolas P. Mauranyapin, Lars S. Madsen+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2016

Photonic and Optical Devices参考文献 35被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、暗黒照明と混合干渉計を組み合わせることで、量子限界の精度を達成するナノファイバーを用いた表面効果バイオセンサを提案している。この手法により、光学強度を4桁低減しながらも、最先端の感度を維持し、3.5 nmのバイオ分子を5 nmの分解能で最小限の光傷害を伴って検出・追跡可能となる。

ABSTRACT

Sensors that are able to detect and track single unlabelled biomolecules are an important tool both to understand biomolecular dynamics and interactions at nanoscale, and for medical diagnostics operating at their ultimate detection limits. Recently, exceptional sensitivity has been achieved using the strongly enhanced evanescent fields provided by optical microcavities and nano-sized plasmonic resonators. However, at high field intensities photodamage to the biological specimen becomes increasingly problematic. Here, we introduce an optical nanofibre based evanescent biosensor that operates at the fundamental precision limit introduced by quantisation of light. This allows a four order-of-magnitude reduction in optical intensity whilst maintaining state-of-the-art sensitivity. It enable quantum noise limited tracking of single biomolecules as small as 3.5 nm, and surface-molecule interactions to be monitored over extended periods. By achieving quantum noise limited precision, our approach provides a pathway towards quantum-enhanced single-molecule biosensors.

研究の動機と目的

• 単一分子バイオセンシングにおける光傷害の制限を克服し、感度を損なわず光学強度を低減すること。
• 表面効果光場を用いて、ラベルなしバイオ分子の量子ノイズ限界検出を達成すること。
• 高い空間・時間分解能を用いて、表面分子相互作用の長時間モニタリングを可能にすること。
• レーザーの揺らぎ、振動、バックグラウンド散乱などの技術的ノイズ源を単一分子検出において低減すること。
• 光の基本的量子限界を用いた量子強化バイオセンサへの道筋を示すこと。

提案手法

• 粒子が存在しない状態でバックグラウンド散乱を最小限に抑えるために、プローブビームをナノファイバー軸に対して垂直に注入する暗黒照明方式を採用した。
• 周波数シフトされた局所発振器を用いた混合干渉計技術により、散乱信号を基準場と混合し、信号を高周波帯域にシフトした。
• 高感度およびノイズ低減を実現するため、二重四分位ロックインアンプを用いて信号場の振幅と位相を抽出した。
• 局所発振器のショットノイズレベル未満の電子的ノイズを有する低ノイズバランスフォトレシーバーを用い、量子限界性能を確保した。
• 特に、レーザー強度および周波数の揺らぎを含む技術的ノイズ源を最小限に抑えることで、システムを量子ノイズ限界で動作させた。
• 波長より小さい直径のナノファイバーの表面効果場を活用し、ナノスケールのバイオ分子との光・物質相互作用を強化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面効果場を用いた単一分子バイオセンシングは、量子限界の精度に達成可能か？
• RQ2 単一分子検出において、感度を維持したまま光学強度をどの程度低減できるか？
• RQ3 暗黒照明と混合検出を組み合わせることで、単一分子追跡における技術的ノイズがどの程度低減されるか？
• RQ4 この手法を用いて、量子限界条件下で検出可能な最小のバイオ分子サイズは何か？
• RQ5 表面電荷効果が、十分に散乱断面積を増大させ、10 nm未満のバイオ分子の検出を可能にするか？

主な発見

• バイオセンサは量子ノイズ限界の感度を達成し、半径3.5 nmの単一バイオ分子の検出が可能となった。
• システムは、従来の最先端センサーよりも光学強度を4桁低減して動作しており、光傷害のリスクが顕著に低減された。
• 100 Hz帯域幅で5 nmの空間分解能を達成した単粒子追跡が実証され、表面相互作用の長時間モニタリングが可能となった。
• 測定された信号振幅、トラップポテンシャル、確率密度分布は、複数回の実験において非常に再現性が高く、個々の粒子の安定な検出を示した。
• 超純水および塩水を用いたコントロール実験では、45分間で偽陽性が観測されず、信号が実際の粒子由来であり汚染由来ではないことを確認した。
• 小さな粒子における観測された信号増幅は、表面電荷に起因する電気二重層により誘電率と散乱断面積が増大するためであり、従来の研究で説明がつかなかった信号の大きさを説明できる。