[논문 리뷰] Ultrasensitive and highly accurate long-range surface plasmon resonance biosensors based on two-dimensional transition metal dichalcogenides

Yi Xu, Chang‐Yu Hsieh외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 26.

Advanced biosensing and bioanalysis techniques참고 문헌 71인용 수 36

한 줄 요약

이 논문은 MoS₂, MoSe₂, WS₂, WSe₂와 같은 이차원 전이 금속 디칼코겐화합물(TMDCs)을 신호 증폭 및 생분자 흡착층으로 사용하여 고감도·고정밀도 장거리 표면 플라즈몬 공 resonance(LRSPR) 생체센서를 제안한다. 금박막과 Cytop 유전체층과의 통합을 통해 영상 감도는 최대 4,244 RIU⁻¹으로 향상되고, 감도 정확도는 135 deg⁻¹ 이상으로 확보되어, 조정 가능한 플라즈몬 결합 및 전자 이동 효율성을 활용해 기존의 SPR 및 그래핀 기반 센서를 뛰어넘는 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDCs), as promising alternative plasmonics supporting materials to graphene, exhibit potential applications in sensing. Here, we propose an ultrasensitive, accurate long-range surface plasmon resonance (LRSPR) imaging biosensor with two-dimensional TMDC layers, which shows higher detection accuracy than that of conventional SPR biosensor. It is found that the imaging sensitivity of the proposed LRSPR biosensor can be enhanced by the integration of TMDC layers, which is different from the previous graphene-based LRSPR or SPR imaging sensor, whose imaging sensitivity usually decreases with the number of graphene layers. The sensitivity enhancement or degradation effect for the proposed chalcogenide-cytop-gold-TMDCs based biosensor depends on the thickness of gold thin film and cytop layer. Imaging sensitivity of more than 4000 $ ext{RIU}^{-1}$ can be obtained with a high detection accuracy of more than 120 $ ext{deg}^{-1}$. We expect that the proposed TMDCs mediated LRSPR imaging sensor could provide potential applications in chemical sensing and biosensing for a highly sensitive and accurate simultaneous detection of multiple biomolecular interactions.

연구 동기 및 목표

• 기존의 SPR 및 그래핀 기반 시스템을 뛰어넘는 고감도 및 고정밀도 장거리 표면 플라즈몬 공 resonance(LRSPR) 생체센서의 개발.
• 이차원 전이 금속 디칼코겐화합물(TMDCs)이 LRSPR 센서에서 신호 증폭 및 생분자 흡착층으로서 수행하는 역할 탐구.
• 감도 및 정확도에 중요한 영향을 미치는 금박막 두께와 Cytop 유전체층 두께를 조절하여 센서 성능 최적화.
• 반사율 감도 한계를 규명하고, MgF₂와 같은 높은 반사율 유전체로의 재료 교체 가능성을 제안하여 작동 범위 연장.
• 탄탈럼 기반(WS₂, WSe₂)과 무르복드 기반(MoS₂, MoSe₂) TMDCs의 성능을 비교하여 최적의 센싱 결과 도출.

제안 방법

• 센서 구조는 2S2G 프리즘, Cytop 유전체층, 금(Au) 박막, 그리고 활성 센싱층으로서 단일층 TMDC(MoS₂, MoSe₂, WS₂, WSe₂)로 구성된다.
• 고정된 입사각에서 p-편광 빛을 사용하여 Kretschmann 구성을 통해 LRSPR 모드를 자극하고, 반사도-각도 곡선을 측정하여 공명 침강 특성 추출.
• 이론적 모델링은 반사도 및 전기장 분포를 계산하기 위해 전이 행렬 방법을 사용하며, 감도는 반사도-각도 곡선의 기울기(dθ/dn)로 정의된다.
• 감도 정확도(DA)는 공명 침강의 반폭 전체 너비(FWHM)의 역수로 정량화되며, 높은 값은 더 날카로운 침강과 더 나은 해상도를 의미한다.
• 감도 및 DA는 금박막 두께(10–30 nm), Cytop 층 두께(1.0–2.0 μm), 센싱층 반사율(1.300–1.365)을 변화시켜 체계적으로 분석한다.
• 기존의 SPR 및 그래핀 기반 LRSPR 센서와의 성능 비교를 통해 영상 감도 및 감도 정확도를 기준으로 벤치마킹한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TMDCs의 통합은 기존의 SPR 및 그래핀 기반 시스템과 비교해 LRSPR 생체센서의 영상 감도 및 감도 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 TMDC 기반 LRSPR 센서에서 감도 및 정확도를 극대화하기 위한 금박막 및 Cytop 유전체층의 최적 두께는 무엇인가?
• RQ3 센싱층의 반사율은 제안된 LRSPR 생체센서의 영상 감도 및 감도 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 케이스 2에서는 센싱층 반사율이 증가함에 따라 TMDC 기반 LRSPR 센서의 영상 감도가 증가하는가? 이는 감도 향상 또는 저하의 원인은 무엇인가?
• RQ5 Cytop 층을 MgF₂(반사율 ~1.38)와 같은 더 높은 반사율 유전체로 교체함으로써 센서의 반사율 감도 한계를 연장시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 TMDC 기반 LRSPR 생체센서는 센싱층 반사율이 1.365일 때 단일층 MoS₂ 기반 센서에서 최대 4,244 RIU⁻¹, WSe₂ 기반 센서에서 4,223 RIU⁻¹의 영상 감도를 달성한다.
• 동일한 반사율에서 MoS₂ 및 WSe₂ 기반 센서의 감도 정확도는 135 deg⁻¹를 초과하여, 기존의 SPR 및 그래핀 기반 시스템을 크게 능가한다.
• Cytop 층 두께가 1.0 μm이고 금박막 두께가 15 nm일 때 감도 향상이 발생하며, 탄탈럼 기반 TMDCs(WS₂, WSe₂)가 무르복드 기반(TMDCs, MoS₂, MoSe₂)보다 높은 감도를 보인다.
• 높은 센싱층 반사율(>1.330)에서 반사도-각도 곡선의 최소 반사도가 현저히 감소하여 신호 대 잡음비가 향상되고 정확도가 향상된다.
• 반사율 감도 한계는 1.370으로 확인되었으며, Cytop 층을 MgF₂로 교체함으로써 이 한계를 넘어서고 센서의 작동 범위를 연장시킬 수 있다.
• 은, 알루미늄 또는 COPPER로 금을 대체할 경우, 더 좁은 SPR 곡선을 가지므로 내재된 감도 정확도가 향상되어 센서 성능을 추가로 향상시킬 수 있다.