[논문 리뷰] Polarization-Multiplexed Bloch Surface Wave Sensing of Single-Strand DNA Growth

Jonathan Barolak, Erika Mogni외 9명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 13.

Plasmonic and Surface Plasmon Research인용 수 0

한 줄 요약

편광 다중화된 Bloch Surface Wave(BSW) 센싱 플랫폼은 ssDNA 성장 시 굴절률 이방성을 추적하기 위해 TE와 TM 공명을 동시에 해석하고, 두 단계의 Transfer Matrix Method(TMM) 모델을 사용하여 성장과 굴절지수 이방성 변화를 추출합니다.

ABSTRACT

Refractometric biosensing is a vital label-free tool for the real time detection and interaction analysis of biological and chemical substances. Nanophotonic platforms like Surface Plasmon Resonance (SPR) have played a critical role in providing refractometric sensing capabilities for clinical diagnostics and environmental monitoring. However, traditional systems operating in a single-polarization state cannot fully characterize complex optical properties such as birefringence, which is crucial to resolve many complex biological interactions. Although Bloch Surface Wave (BSW) sensors can support both TE and TM modes, a key capability SPR lacks, they have historically been implemented in single-mode configurations. In this paper, we present a polarization multiplexed BSW refractometric sensing system, simultaneously tracking the resonant wavelength shifts of both TE and TM BSW modes through time. Our technique was applied to investigate single-strand DNA growth during rolling circle amplification (RCA). To accurately recover the time-dependent birefringence, capturing dynamics of the DNA growth and orientation of its chains, we implemented a two-stage modeling approach based on the TMM. First, we utilized a wavelength-dependent surface sensitivity model, confining refractive index changes to the immediate layer above the crystal, to distinguish isotropic background dynamics from birefringent signals. Following the onset of RCA, we transitioned to a model that accounted for the vertical growth of the DNA layers in time. By fitting this model to the TE and TM resonant shifts, we monitor the growth rate of the single-strand DNA layer as well as the refractive index along the two polarization components. Our findings demonstrate the platform's ability to resolve the structural evolution of complex bimolecular interactions associated with conformational changes.

연구 동기 및 목표

• 편광 다중화된 BSW 센서가 굴절률 측정용으로 TE와 TM의 동시 excitation을 가능하게 하는지 시연한다.
• 센서를 적용하여 단일 가닥 DNA의 롤링 원형 증폭(RCA) 중의 비등방성 광학 응답을 모니터링한다.
• 표면층의 등방성 변화와 이방성 성장 간의 차이를 구분하기 위한 두 단계의 TMM 기반 모델링 프레임워크를 개발하고 구현한다.
• 성장률과 growing DNA 층의 이방 인덱스(n_DNA,TE, n_DNA,TM)를 정량적으로 추출한다.
• 특성화된 시간 및 편광 해상 interfacial 과정의 일반 프레임워크를 제공한다.

제안 방법

• 겹치는 TE 및 TM Bloch Surface Waves를 지지하도록 잘라낸 1차원 광결정(1DPC)을 사용한다.
• Kretschmann 구성으로 TE와 TM 공명을 동시에 여기하고 편광 검출을 분리한다.
• 측정된 스펙트럼에 맞추기 위해 유전 최적화된 1DPC 매개변수로 Transfer Matrix Method를 이용해 표면 민감도 S_SL과 부피 민감도 S_bulk를 계산한다.
• 공명 파장 변화를 S_SL을 사용해 굴절지수 변화로 변환하되, 굴절지수 변화의 주된 영역을 나타내는 10 nm의 표면층을 반영한다.
• RCA 중 DNA 성장을 굴절다층으로 보아 두께 G_DNA(t)=sum_j beta_j t^j인 이방성 슬래브로 모델링하고 TE/TM 시프트를 비선형 최소제곱으로 피팅하여 n_DNA,TE, n_DNA,TM 및 성장률을 회복한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 생체 인터페이스에서 시간에 따라 변하는 이방성을 듀얼 편광 BSW 센서로 해석할 수 있는가?
• RQ2 TE 및 TM 공명 변화가 얇은 표면층의 시간 해상 이방 굴절지수 변화로 어떻게 변환되는가?
• RQ3 이방성 브러시로 모델링된 RCA 동안의 ssDNA의 성장 역학 및 이방성은 무엇인가?
• RQ4 표면층 민감도와 부피 민감도의 차이가 동적 인터페이스 과정의 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 편광 해상 스펙트ral 데이터에서 비선형 최소제곱 모델링이 DNA 성장률과 이방 굴절지수를 모두 재구하는가?

주요 결과

• 플랫폼은 ssDNA의 RCA 동안 TE 및 TM 공명 이동을 실시간으로 모니터링할 수 있다.
• 최종 회수된 DNA 굴절지수는 n_DNA,TE = 1.356 및 n_DNA,TM = 1.349로, 이방성은 0.006 RIU이다.
• DNA 성장에 대한 선형 모델이 데이터를 잘 맞추며 최종 DNA 길이가 약 620 nm로 추정된다.
• 이방성은 주로 RCA 동안 발전하며, 초기 단계에서는 이방성이 더 작다.
• 표면층 민감도에서 성장 중 이방 슬래브로의 두 단계 모델링 방식이 등방 효과와 이방 효과를 구분하게 한다.
• 추정된 성장은 선형 성장 기대치 및 문헌의 성장 속도와 일치한다。