[论文解读] Polarization-Multiplexed Bloch Surface Wave Sensing of Single-Strand DNA Growth

Jonathan Barolak, Erika Mogni+9 more|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2026

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用 0

一句话总结

一个极化复用的 BSW 传感平台同时跟踪 TE 与 TM 共振，以在通过滚环放大生长的 ssDNA 过程中解析双折射动力学，使用两阶段的 TMM 模型提取生长与折射率各向异性。

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.

研究动机与目标

• 证明一个极化多路的 BSW 传感器，能够实现 TE 与 TM 的同时励磁以进行折射率传感。
• 将传感器应用于在单链DNA 的滚环扩增过程中监测各向异性的光学响应。
• 开发并实现一个基于两阶段 TMM 的建模框架，以区分表面层各向同性变化与双折射生长。
• 定量提取生长速率和生长中DNA层的双折射折射率。
• 提供一个普适的时间和极化分辨的界面过程各向异性表征框架。

提出的方法

• 使用一个截断的一维光子晶体来支撑重叠的 TE 与 TM Bloch 表面波。
• 在 Kretschmann 配置下同时激发并监测 TE 与 TM 谐振，并进行分极化检测。
• 通过传输矩阵法结合对 1DPC 参数的遗传优化来拟合测得的光谱，计算表面灵敏度 S_SL 与体相灵敏度 S_bulk。
• 利用 S_SL 将谐振波长位移转换为折射率变化，考虑一个代表主要折射率变化区域的 10 nm 表面层。
• 将 RCA 过程中的 DNA 生长建模为一个折射率各向异性的薄层，厚度 G_DNA(t)=sum_j beta_j t^j，并通过非线性最小二乘拟合 TE/TM 位移以恢复 n_DNA,TE、n_DNA,TM 与生长速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个双极化 BSW 传感器是否能够分辨生物界面处随时间变化的双折射？
• RQ2 如何将 TE 与 TM 谐振位移转换为薄表面层的时间分辨、各向异性折射率变化？
• RQ3 在将 ssDNA 视为折射率各向异性的刷层时，滚环放大过程中的生长动力学与双折射如何？
• RQ4 表面层灵敏度与体相灵敏度有何差异，这对动态界面过程的解释有何影响？
• RQ5 非线性最小二乘建模是否能够从偏振分辨的光谱数据中同时恢复 DNA 生长速率与各向异性折射率？

主要发现

• 该平台在 ssDNA 的 RCA 过程中能够实时监测 TE 与 TM 的谐振位移。
• 最终得到的 DNA 折射率为 n_DNA,TE = 1.356 和 n_DNA,TM = 1.349，折射率各向异性为 0.006 RIU。
• 线性 DNA 生长模型很好地拟合数据，估计最终 DNA 长度约为 ~620 nm。
• 在 RCA 过程中双折射主要发展，早期步骤显示较小的双折射。
• 两阶段建模方法（先表面层灵敏度再在生长时作为折射率各向异性的薄层）实现了对各向同性与各向异性效应的分离。
• 推断的生长符合线性生长预期及文献尺度的生长速率。