Thermo-optoplasmonic single-molecule sensing on optical microcavities
Thermo-optoplasmonic single-molecule sensing on optical microcavities
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光学微腔热光等离子体单分子传感
DOI：
10.1101/2023.12.13.571444
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发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Toropov N
中科院分区：
文献类型：
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作者：
Toropov N
回音壁模式（WGM）谐振器是生物和生化研究中单分子传感的有力工具。被称为光等离子体传感器的等离子体纳米结构利用的WGM传感器提供低至单个原子离子的灵敏度。在这篇文章中，我们描述了光等离子体传感器对单个蛋白质分子附着的响应强烈依赖于WGM的强度。在低强度下，蛋白质结合导致WGM共振波长的红移，称为反应性传感机制。相比之下，蓝移是在高强度下获得的，我们将其解释为热光等离子体（TOP）传感，其中分子将吸收的WGM辐射转化为热量。为了支持我们的结论，我们实验研究了七个分子和复合物，我们观察到蓝移的染料分子，氨基酸和异常吸收的酶在近红外光谱区。作为一个应用的例子，我们提出了一个物理模型的TOP传感，可用于单分子吸收光谱仪的发展。
Whispering-gallery-mode (WGM) resonators are powerful instruments for single-molecule sensing in biological and biochemical investigations. WGM sensors leveraged by plasmonic nanostructures, known as optoplasmonic sensors, provide sensitivity down to single atomic ions. In this article, we describe that the response of optoplasmonic sensors upon the attachment of single protein molecules strongly depends on the intensity of WGM. At low intensity, protein binding causes red shifts of WGM resonance wavelengths, known as the reactive sensing mechanism. By contrast, blue shifts are obtained at high intensities, which we explain as thermo-optoplasmonic (TOP) sensing, where molecules transform absorbed WGM radiation into heat. To support our conclusions, we experimentally investigated seven molecules and complexes; we observed blue shifts for dye molecules, amino acids, and anomalous absorption of enzymes in the near-infrared spectral region. As an example of an application, we propose a physical model of TOP sensing that can be used for the development of single-molecule absorption spectrometers.
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