Planar nano-antennas for spectroscopy and sensing

Abstract

Molecular sensing and detection have been established over the past decades with biochemistry and medical diagnostics applications. Among the various sensing methods, fluorescence detection is considered to be one of the most promising ones, especially in vitro diagnostics. Dye molecules used as a label in fluorescence detection are generally dipolar light sources emitting in a random direction, and a significant fraction of the emitted photons can not reach the detectors. This dramatically reduces the brightness of the dye molecules. A practical approach to overcome this problem relies on enhanced light-matter interaction obtained using optical nano-antennas. In this work, we investigate a planar antenna configuration, which beams the radiation pattern of the dye into a narrow cone. It mimics the operation of a Yagi–Uda antenna, where reflector and director elements are made of thin metal films. Here, the reflector element of the planar Yagi–Uda antenna is an etched flat gold wire, and the director element is made of 10 nm gold film evaporated on the glass coverslip. Our first goal is to elucidate the antenna effects when the reflector-director gap changes (scanning antenna). By scanning the reflector in the axial direction, the radiation pattern of a single fluorescent bead changes, and the emission narrows down to angles of 45° (full width at half maximum) at the antenna resonance. Afterward, we focus on detecting double-stranded DNA molecules labeled by fluorescent Atto-647N in a buffer to determine the sample concentration. Moreover, a practical way to guide the fluorescence signal to a detector is through an optical fiber. By coating the director on the tip of an etched fiber and using a gold substrate as a reflector, we can direct the emission into the fiber with high efficiency. A numerical simulation has been developed to evaluate the coupling efficiency of a horizontally oriented dipole into a fiber. The result determines more than 70% coupling efficiency, which would only scale by a factor of 2/3 for emitters with a random orientation. This configuration can not only collect the emitted light but also excite the molecule through the same fiber. However, in practice, the fiber shows a high autofluorescence in excitation due to doping or defects in the core material, which needs further investigation. This method is a compact solution to enhance the sensitivity and dynamic range of molecules detection, and it can replace the bulk optics conventionally employed for fluorescence measurements.

Die molekulare Sensorik und Detektion hat sich in den letzten Jahrzehnten mit Anwendungen in der Biochemie und der medizinischen Diagnostik etabliert. Unter den verschiedenen Sensormethoden ist die Fluoreszenzdetektion eine der vielversprechendsten, insbesondere für die In-vitro-Diagnostik. Farbstoffmoleküle, die als Markierung in der Fluoreszenzdetektion verwendet werden, sind im Allgemeinen dipolare Lichtquellen, die in zufälliger Richtung emittieren und ein großer Teil der emittierten Photonen kann die Detektoren nicht erreichen. Dadurch wird die Helligkeit der Farbstoffmoleküle drastisch reduziert. Ein effektiver Ansatz zur Überwindung dieses Problems beruht auf einer verbesserten Licht-Materie-Wechselwirkung, die mit optischen Nanoantennen erzielt wird. In dieser Arbeit untersuchen wir eine planare Antennenkonfiguration, die das Strahl- ungsmuster des Farbstoffs in einem schmalen Kegel bündelt. Es ahmt den Betrieb der Yagi–Uda Antenne nach, bei der Reflektor- und Direktor aus dünnen Metallfilmen bestehen. Hier ist das Reflektorelement der planaren Yagi–Uda Antenne ein geätzter flacher Golddraht und das Direktorelement besteht aus einem 10-nm-Goldfilm, der auf das Deckglas aufgedampft ist. Unser erstes Ziel ist es, die Antenneneffekte bei Reflektor-Direktor Lückenänderungen (Scanning-Antenne) aufzuklären. Durch Abtasten des Reflektors in axialer Richtung ändert sich das Strahlungsmuster einer einzelnen Fluoreszenzbead, und die Emission verengt sich bei der Antennenresonanz auf einen Winkel von 45° (Halbwertsbreite). Anschließend konzentrieren wir uns auf den Nachweis von doppelsträngigen DNA-Molekülen, die mit fluoreszierendem Atto-647N in einem Puffer markiert sind, um die Probenkonzentration zu bestimmen. Darüber hinaus ist die Verwendung einer optischen Faser ein praktischer Weg, um das Fluoreszenzsignal zu einem Detektor zu leiten. Indem wir den Direktor auf die Spitze einer geätzten Faser auftragen und ein Goldsubstrat als Reflektor verwenden, können wir die Emission mit hoher Effizienz in die Faser lenken. Eine numerische Simulation wurde entwickelt, um die Kopplungseffizienz eines horizontal ausgerichteten Dipols in eine Faser zu bewerten. Das Ergebnis ergibt über 70% Kopplungseffizienz, die bei Emittern mit zufälliger Ausrichtung nur um den Faktor 2/3 skalieren würde. Diese Konfiguration kann nicht nur das emittierte Licht sammeln, sondern auch das Molekül durch dieselbe Faser anregen. In der Praxis zeigt die Faser jedoch eine hohe Autofluoreszenz bei Anregung aufgrund von Dotierung oder Defekten in der atomaren Struktur des Kernmaterials, was weitere Untersuchungen erfordert. Dieses Verfahren ist eine kompakte Lösung, um die Empfindlichkeit und den dynamischen Bereich der Moleküldetektion zu verbessern und es kann die herkömmlich verwendete Bulk-Optik für Fluoreszenzmessungen ersetzen.