Electrochemical Sensing by Photonic Crystal Nanolaser Sensors
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DOI：
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发表时间：
2016-02
期刊：
影响因子：
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通讯作者：
Takumi Watanabe;Yukihiro Furuta;Daichi Takahashi;Yu Hasegawa;T. Baba
中科院分区：
文献类型：
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作者：
Takumi Watanabe;Yukihiro Furuta;Daichi Takahashi;Yu Hasegawa;T. Baba
医療・バイオ応用に向けて様々なフォトニックセンサが研究されている.我々は GaInAsPフォトニック結晶 (PC) ナノレーザバイオセンサ 1) を用い,ストレプトアビジン (SA) などの汎用タンパク質のサブ aM からの 超高感度検出を報告しており ,最近,同様の検出が Siパッシブ共振器においても報告されている .このと きの検出原理は,共振モードがタンパク質の吸着による等価屈折率の上昇を感じ,その波長がレッドシフトし た,とされている.しかし,前回,タンパク質自身の屈折率によるシフト量を計算し,pM 以下の極低濃度で は 0.1 nm 以上の有意なシフトは生じないことを報告した.つまり屈折率とは異なる原理を見いだす必要があ り,我々はその候補として FET センサのようにタンパク質の電荷が関与している可能性を考察した.今回は ナノレーザの波長シフトと電荷の関係についてさらに調査したので報告する. 実験ではまずナノレーザ表面に 3 nmの ZrO2を原子層堆積させ,化学的安定性を確保した.この状態で,水 中でレーザを動作させ続けても 0.1 nm 以上の有意なシフトは生じない.次にプラズマ親水化処理,または塩 溶液 (KCl) の濃度変化という変化を与え,波長シフトを測定した.前者は,プラズマ処理後の水中測定にお いて,約 90分かけて波長が 1 nmもシフトし,飽和した.一方,処理後,純水に 90分浸漬してから測定する とこのシフトは見られない.これは負に帯電した表面の親水基が時間と共に液中の Hを取り込み,正の帯電 に変化した結果だと考えられる.後者では,ナノレーザを浸漬する KCl溶液の濃度を変えて測定した.濃度が 10 10 Mの範囲では,溶液の屈折率変化だけでは有意なシフトは生じないはずだったが,実際は 10 M からシフトが現れ始め,10 Mで 0.1 nm以上に達した.以上は表面電荷と波長シフトに関係があることを示 唆するため,我々は Fig. 1に示すようなモデルを考えた.すなわち,タンパク質が抗体を介してナノレーザに 吸着するとダイポールモーメントが形成され,周囲のイオン分布(帯電状況)を変化させる.すると,半導体 表面近傍にショットーキー障壁が形成され,内部電界が発生する.これがキャリアプラズマ効果やフランツケ ルディッシュ効果によって半導体の屈折率変化を引き起こし,それが波長シフトとなって現れる.この現象は 二光子吸収キャリアを発生させる Si パッシブ共振器にも当てはまる可能性があり,物理的理解を深めること で,より安定した超高感検出に貢献すると考えられる.本研究は科研費基盤(S)の援助を得て行われた. 参考文献 1) S. Kita et al., Opt. Express, 97, 161108 (2011). 2) S. Hachuda et al., Opt. Express, 21, 12815 (2013). 3) D. Yang, et al., Appl. Phys. Lett. 105, 063118 (2014).