[논문 리뷰] Evanescent single-molecule biosensing with quantum limited precision

Nicolas P. Mauranyapin, Lars S. Madsen외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 20.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 광학 나노섬유 기반의 비접촉 생체 센서를 제시하며, 어두운 조명과 이방간섭측정을 조합하여 단일 비표지 생체분자를 검출하고 추적하는 데 양자한계 정밀도를 달성한다. 이 방법은 감도를 유지하면서도 필요한 광강도를 4개 항목 감소시켜, 3.5 nm의 생체분자를 5 nm 해상도로 추적하면서 최소한의 광손상을 유발한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일분자 생체감지에서 광손상의 한계를 극복하기 위해 감도를 훼손하지 않고 필요한 광강도를 감소시키는 것.
• 표면장력 광장에 의해 비표지 생체분자를 양자노이즈한계로 검출하는 것.
• 고공간·시간 해상도로 표면분자 상호작용을 장기간 모니터링할 수 있도록 하는 것.
• 레이저 강도 변동, 진동, 배경산산화 등 기술적 노이즈 원천을 단일분자 검출에서 억제하는 것.
• 빛의 기본 양자한계를 이용한 양자강화 생체센서의 길을 보여주는 것.

제안 방법

• 입자 존재 시에만 배경산산화를 최소화하기 위해 나노섬유 축에 수직으로 조사되는 프로브 빛을 사용하는 어두운 조명 기법을 적용하였다.
• 주파수 이동된 국소오실레이터를 사용하여 산란된 신호를 기준장과 혼합하고, 신호를 고주파 대역으로 이동시킨 이방간섭측정 기법을 활용하였다.
• 신호장의 진폭과 위상을 고감도 및 노이즈 억제 성능을 확보하기 위해 이중궤도 락인 증폭기를 적용하였다.
• 국소오실레이터의 샷노이즈 수준 이하의 전자노이즈를 갖는 저노이즈 밸런스드 광수신기를 사용하여 양자한계 성능을 확보하였다.
• 레이저 강도 및 주파수 변동과 같은 기술적 노이즈 원천을 최소화하여 시스템이 양자노이즈 한계에서 작동하도록 설계하였다.
• 나노섬유의 표면장력장을 이용하여 나노스케일 생체분자와의 광-물질 상호작용을 증폭하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면장력장을 이용하여 단일분자 생체감지를 빛의 기본 양자한계 정밀도에 도달할 수 있는가?
• RQ2 단일분자 검출에서 감도를 유지하면서 광강도를 얼마나 낮출 수 있는가?
• RQ3 어두운 조명과 이방간섭측정을 조합하여 기술적 노이즈가 단일분자 추적에서 어떻게 억제되는가?
• RQ4 이 방법을 사용할 경우, 양자한계 조건에서 감지 가능한 최소한의 생체분자 크기는 얼마인가?
• RQ5 표면전하 효과가 산란단면적을 충분히 증가시켜 10 nm 미만의 생체분자를 감지할 수 있도록 할 수 있는가?

주요 결과

• 센서는 양자노이즈한계 감도를 달성하여 반지름 3.5 nm의 단일 생체분자를 검출할 수 있다.
• 이전 최첨단 센서보다 광강도를 4개 항목 감소시켜 광손상 위험을 크게 감소시켰다.
• 100 Hz 대역폭에서 5 nm 공간해상도로 단일입자 추적 기능을 구현하여 표면 상호작용의 장기 모니터링이 가능했다.
• 다양한 실험에서 측정된 신호 진폭, 포획 포텐셜 및 확률밀도 분포가 매우 재현 가능하여 개별 입자의 안정적 검출을 입증하였다.
• 초순수 물과 염수를 사용한 제어 실험에서 45분 동안 가짜 신호가 발생하지 않아 신호가 실제 입자에서 기인하며 오염과 무관함을 확인하였다.
• 작은 입자에 관찰된 신호 증폭은 표면전하에 의해 유도된 전기이중층으로 인해 극성도가 증가하고 산란단면적이 증가하기 때문이며, 이는 이전 연구에서 설명되지 않은 신호 크기를 설명한다.