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Nature Communications volume 13、記事番号: 4753 (2022) この記事を引用

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7 引用

180 オルトメトリック

メトリクスの詳細

中赤外分光法は、気相または液相中の分子を調べるための高感度かつ選択的な技術です。医薬品製造などの生物医学応用における化学反応の研究は、最近特に関心を集めています。ただし、液体内の動的プロセスの監視は一般的にかさばるシステムに限定されるため、時間のかかるオフライン分析が必要になります。この研究では、溶液中の分子のダイナミクスをオンラインで測定するための、次世代の完全に統合された堅牢なチップスケールセンサーを示します。当社の指先サイズのデバイスは量子カスケード技術を利用しており、エミッタ、センシングセクション、ディテクタを単一チップ上に組み合わせています。これにより、現場構成でわずかマイクロリットル量の検体をプローブするリアルタイム測定が可能になります。重水中でのモデルタンパク質ウシ血清アルブミンの温度誘起構造変化を分析することにより、時間分解デバイスの動作を実証します。定量測定により、センサーの直線性、0.075 mg ml-1 から 92 mg ml-1 までの幅広い濃度範囲、最先端のかさばるオフライン参照システムよりも 55 倍高い吸光度という点で優れた性能特性が明らかになります。。

センサーは、医療診断 1、2、3、環境センシングおよび気候研究 4、5 からスペクトルイメージング 6 やセキュリティアプリケーション 7 に至るまで、数え切れないほどのレベルで私たちの日常生活に浸透しています。これらは、潜在的に危険な化学物質など、あらゆる種類の関連物質を検出、分析し、反応します8。中赤外 (中 IR) 気相分光法は現在、量子カスケード (QC) 技術に基づくセンシングアプリケーションによく活用されています 9,10,11 が、液体検出技術はまだ初期段階にあります 12,13,14。それらには、例えば、液体のより高密度の媒体中の非常に広い吸収バンド（>10〜50 cm-1）に対処する試みが含まれます15、16、17。分子の化学反応や構造変化を調査しながら、(i) 非常に低い (ppb ～ ppt) 濃度レベル、または (ii) 急速に変化する濃度で標的分析物を検出する場合、これはさらに困難な作業になります。液相中の動的プロセスを監視するセンサーに望ましい特性には、迅速な応答時間、高い感度と特異性、さらにマイクロリットルのサンプルサイズで広い動的濃度範囲を分析できる機能が含まれます。

したがって、中赤外スペクトル範囲 (約 500 ～ 1700 cm-1 18,19) の基本分子吸収のスペクトルフィンガープリント領域、特にタンパク質アミドの領域をターゲットにすることは、高いセンサー特異性にとって非常に有益です。タンパク質分析の場合、I バンド (約 1600 ～ 1700 cm-1) 20。

センサーの感度は、ノイズ性能と校正線の傾きによって決まります。ランベルトベールの法則に基づく分光技術では、サンプル内の光の有効相互作用長を最大化することで感度を調整できます。しかし、水溶液における典型的な中赤外吸収長の値は、既存の技術では低いマイクロメートルスケールにあり、多くの場合、かさばるデバイスを使用します9、14、21。したがって、QC レーザー (QCL) などの高出力光源や QC 検出器 (QCD) などの高性能検出器は、改善に適したツールとなります。これらにより、中赤外液相分光法における現実世界のアプリケーションに対応できるようになり、数マイクロメートルをはるかに超えるサンプル膜厚をプローブできるため、簡素化され、より堅牢なサンプルの取り扱いが可能になります8、13、22。

文献 23 の最初の実験ですでに対処されているセンサーの特異性と感度とは対照的に、我々は、さらに 2 つの重要な機能に関して大幅な進歩を示すコンセプトを実証したいと考えています。

(i) 化学反応 24 や構造変化、すなわち分子の三次元構造の構造変化 13 などの動的プロセスは、適切な調査のために高い時間分解能で分析する必要がある重要な特性を明らかにします。ラベルフリーのリアルタイム測定用の in situ センサーは、分析物の変化を監視するための理想的なツールであり、時間のかかるオフライン分析を完全に回避します。

(ii) 微量の液体をオンチップで分析できるため、センサーの小型化を通じて現実世界のアプリケーション向けの検出スキームが可能になります。これには、化学プロセスへの干渉を最小限に抑えた、マイクロリットルサンプルのオンライン測定が含まれます。

この研究では、上記のすべての機能を単一の小型デバイスに組み合わせた、完全にモノリシックな統合型中赤外線センサーを紹介します。レーザー、相互作用領域、検出器を 1 つのチップ上に組み合わせ、プラズモニック導波路 26、27、28 を活用することで従来のチップスケールのフォトニックシステムの典型的な回折限界 6、25 を回避することにより、指先サイズ (<5 × 5 mm2) を実現します。 ) 次世代の急速液体センサー。シミュレーション結果は、液体環境におけるプラズモニック能力の維持を確認し、スペクトル的に最適化された QCLD、つまり、同様の波長の光子を放出および検出するデバイスの使用を可能にします 29。私たちの研究では 2 種類の測定を実行します。センサーの校正ラインを決定し、熱変性実験を実行して、D2O マトリックス中のウシ血清アルブミン (BSA)12、13、30、31、32、33 の両方のタンパク質二次構造の関連変化をモニタリングします。私たちの研究には、市販ソフトウェア COMSOL を使用した光学有限要素 (FEM) シミュレーションを使用したセンサー性能の分析が含まれているため、液体マトリックス中でのその場動作に対するセンサーの優れた適合性を理論的に確認することもできます。次に、(1) LOD、(2) 検体濃度に対するセンサーの直線性、(3) センサーの利用可能な濃度範囲とサンプル量、(4) 直接的な影響に対する堅牢性など、実験的に重要な分析性能指数を決定します。分析対象物への曝露。私たちは、生物物理学的にネイティブで最も関連性の高いマトリックスとして、通常の水 (H2O) に浸したときの QCLD センサーの動作を実証することで研究を完了します。水中での光モードの完全吸収強度の直接的な結果として、センサーの有効浸透深さが大きいため、この実験で測定された残りの検出器信号を電気的クロストーク補正に同時に使用できます。

私たちは、QCLD センサーを正確に特性評価し、関連する性能指数を抽出するとともに、タンパク質の二次構造の変化をリアルタイムで監視する機能を実証することを目指しています。これらの実験では、水溶性単量体タンパク質として BSA を使用します (図 1a および補足 A を参照)。 BSA は、タンパク質のアミド I 領域の中赤外吸収の変化につながる熱変性の研究など、基礎的な生物物理学的研究で頻繁に使用されます。 BSA の熱変性の研究は、以前は H2O と D2O の両方で定期的に実施され 30,31,32,34,35 、特に重水での実験に豊富なデータセットを提供しました。

a 減衰全反射フーリエ変換赤外分光計 (ATR-FTIR) による BSA の熱変性プロセスの参照測定。50 ∘C (青) と 50 ∘C (青) の間のアミド I\(^{\prime}\) バンドの範囲で分析90℃（赤）。 αヘリックス(1651cm-1、青色)からβシート(1615cm-1、赤色)への温度誘起転移が示されている。 b 示されたプラズモニックモードを含むオンチップセンサーの概念。エミッタ (QCL、幅 10 μm) と検出器 (QCD、幅 15 μm) は、長さ 48 μm のテーパ状 SiN ベースのプラズモニック導波路を介して接続されています。センサー全体がサンプル溶液 (D2O + BSA) に浸されており、チップ上の青色の透明層で示されています。金層（プラズモニック導波路と電気接点）は金色で示され、SiN パッシベーション層と誘電負荷層は茶色で示され、InP 基板は濃い灰色で示されます。

中赤外分光法における水の HOH 屈曲バンドとタンパク質のアミド I 領域の重複を避けるために、タンパク質分析には重水がよく使用されます。これにより、吸収が低減されたこの範囲で開いたスペクトル窓が作成され、より長い相互作用長が可能になります12、30、31、32、35、36、37、38、39、40、41、42。一般に、重水は完全に自然な生物物理学的条件からいくらか逸脱する可能性があります。タンパク質を D2O に曝露すると、水素結合の長さと強度に影響を及ぼし、タンパク質の動態 43 やタンパク質変性 44 の変化を引き起こす可能性があることが判明しました。しかし、D2O のこのような異なる特性は、特定の生体サンプルの分析にも利用できます。たとえば、インビトロ実験で生細胞内のタンパク質と溶媒の相互作用を大幅に遅らせることができます 45。

ここで報告された BSA の熱変性実験では、BSA の構造転移は H2O と D2O 中で類似しているが、重水中では転移温度が低いという 1 つの違いがあることが判明しました 32。したがって、D2O で作業することにより、高い信号対雑音比でデータを記録し、動的反応モニタリングにおけるセンサーコンセプトの可能性を最大限に活用することができます。また、プラズモニックセンシングの概念をより適切に利用することも可能になり、数十から数百マイクロメートルの長さスケールでの光モード伝播が可能になります。当社のオンチップセンサーは、サンプル相互作用長が約 48 μm であることを特徴としており、これにより、約 75 μg ml-1 から >92 mg ml-1 までの 3 桁以上をカバーする幅広い濃度範囲にわたる D2O 中の BSA の分析が容易になります。 1. 対照的に、吸収性の高い H2O バッファを使用すると、通常、低強度の FTIR ベースの実験 46 の場合は経路長が最大 10 μm に制限され、高強度の QCL ベースの透過測定を実行する場合は最大 25 μm 47 に制限されます。検出限界 (LOD) が大幅に低下しました。

量子カスケード技術は、中赤外気相および液相分光法のための非常に強力で多用途のツールをホストします2,14,26,48,49,50。不バイアス QCL を高性能光検出器として動作させる能力 51、52、53 により、QCLD デバイスとして注目されるモノリシック集積 QCL および QCD の実現が可能になりました 29。レーザーと検出器間のスペクトルの優れた重複が特徴です29。この研究では、アミド I\(^{\prime}\) バンドのスペクトル範囲のタンパク質の分析に適した、光学ラボオンチップアプリケーション向けの QCLD コンセプトの可能性を最大限に解き放ちます13,14,32。、35。

この研究で使用される QCLD は、同じ発光波長と検出波長に最適化された連続体結合活性領域 (AR) 設計に基づいています。 D2O32,35 の BSA の吸収範囲をホストするアミド I\(^{\prime}\) スペクトルバンドをターゲットにするために、約 6.5 μm の波長で動作するように設計されています。特に、AR は、合計 37 カスケードの In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As 量子井戸/障壁から構築され、分子線エピタキシー (MBE) によって n-InP 基板に格子整合して成長します。導波路構造に挟まれています。約 20 ～ 40 cm-1 の検体の広い吸収特性内の狭い波長範囲をターゲットとする個々のスペクトル放射モードを選択するために、分布帰還 (DFB) 回折格子 54、55、56 が QCL 導波路構造の上部クラッドに実装されています 57 、58 (AR26 の詳細: および DFB 格子: 補足 B)。 Ristanić et al.27 が示しているように、これにより線幅が ~MHz スケール以下となり 56、パルスレーザーのノイズと発光変動が改善されます 59,60。

当社では、レーザー（長さ約 2.5 mm）と検出器（長さ約 200 μm）に標準的なファブリペロー（FP）リッジ導波路を使用し、長さ約 48 μm の誘電体負荷表面プラズモンポラリトン（DLSPP）導波路（長さ 200 nm）で分離しています。厚さ 60 nm の Au 底層の上に SiN の厚いスラブを配置します。図 1b を参照)。後者は、QCL での幅 10 μm から QCD での 15 μm まで先細になっています。検体の電気伝導率が低いため、追加の保護コーティングなしでセンサーを液体に直接浸すことができます。我々は、オンチップ形状のコンパクト化で知られる温度変動61,62や電気的クロストークなどの主要な技術デバイスのノイズ源に取り組むことで、QCLDセンサーの感度をさらに高めました17,63。前者はオンチップ温度測定によって解決され、後者は分離を高めた電気接点と実験後のクロストーク補正によって解決されました。 QCLDの詳細なスペクトル発光および検出特性を補足図1に示します。

プラズモニック導波路のスペクトル性能は、周囲のホスト媒体を含むターゲット波長 λ での構造特性と材料特性 (複素屈折率 n) によって支配されます。薄い DLSPP 導波路の場合、モードの >96% の顕著な部分が導波路の外側に導かれ (DLSPP の厚さ ≪ 波長)、空気などの周囲の誘電体媒体を貫通することが示されました 26。このような導波路は、その伝播特性が周囲の媒体の影響を受けやすいため、液体分光法に非常に適しています。

D2O および D2O 内の BSA にさらされたときの SiN ベースの DLSPP 導波路を解析するために、FEM ベースの商用ソフトウェア COMSOL (v.5.5) の固有モードソルバーを使用してプラズモニックモードの伝播をシミュレートします。我々は、関心のある 2 つの波長、6.26 μm (1597 cm-1、濃度系列) と 6.17 μm (1620 cm-1、BSA 変性実験) に焦点を当てます。図 2a は、nSiN = 1.79 の 6.17 μm での空気中の横モードプロファイルを示しています。

a Au DLSPP 導波路上の SiN のモード断面 (nSiN = 1.79、挿入図の寸法: dAu: 金の厚さ、dSiN: SiN の厚さ、wSiN: SiN スラブの幅)、b テーパ付き 48 μm DLSPP 導波路に沿った 2D トップビューシミュレーション空気中 (左) および D2O (右) における QCL と QCD 間のプロファイル、および c 空気中および d D2O 中で伝導された 48 μm DLSPP 導波路に沿った縦断面プロファイル。 a、c、dの白い線はAuプラズモニック層を表します。

屈折率 nSiN は、補足図 2 に示す中赤外エリプソメーター測定から得られ、文献 64 と同様の結果を示しています。両方の波長、つまり 1597 cm-1 と 1620 cm-1 で得られた伝播長 Lp (μm 単位の 1/e 減衰距離)、実効モード指数 neff および損失 (dB mm-1 および dB per 48 μm = QCL と QCD 間のプラズモニックセクション) を表 1 に示します。伝播長は短波長で 7% 短くなります。これは、長波長の方がわずかに適したプラズモニック導波路の形状の結果です 28。それでも、Lp は ≥1.7 mm であり、これは 48 μm の導波路セクションの損失が 0.13 dB 未満に相当し、空気中での DLSPP 導波路の低損失特性が確認されています。モードプロファイルと neff は、2 つの波長で無視できる差しか示しません。

以下では、空気中の 6.17 μm 縦モードプロファイルを周囲媒体としての D2O の場合と比較します。図2が示すように、モードは空気中で非常によく閉じ込められており（図2b、cを参照）、D2Oでも同様のレーザー導波路結合が観察されます（図2d、参考文献40を参照）。空気の屈折率 (nair ≈ 1) は \({n}_{{{{{{{\rm{D}}}}}}_ の D2O の屈折率よりも大幅に低いため、これは注目すべき結果です。 {2}{{{{\rm{O}}}}}}}\) = 1.340。それでも、モードは非常によく閉じ込められたままで、レーザーから検出器まで導かれます。これは、液体分光法に対する DLSPP 導波路の優れた適合性を示しています。 BSA を D2O に添加しても、純粋な酸化重水素と比較して、屈折率に与える影響はごくわずかです (たとえば、0.25 ～ 2% m v-140 では Δn ～ 10-4)。

最後に、SiN 層の上 60 nm での水平カットを表示するテーパー DLSPP 導波路の上面図 2D シミュレーションによって、プラズモニックモードに対する D2O の影響を調査しました。図 2b に示すように、空気 (左) と D2O (右) を比較すると、わずかな違いしかなく、したがって、横モード閉じ込めも最小限しか減少しません。

中赤外スペクトル範囲で液体の吸光度を測定する一般的な方法の 1 つは、減衰全反射 (ATR) 分光法に基づいています 65。この技術では、サンプルは光学的に高密度の ATR 要素の表面に配置されます。特定の角度で入射した赤外光は、界面でサンプルに向かって反射され、エバネッセント場によるサンプルへの侵入は最小限に抑えられます。

このような構成では、有効層厚 deff の液体の吸光度 A は、ランベルトベールの法則 9,66: A = deff ⋅ e ⋅ c、モル十進吸光係数 e と検体の濃度を使用して取得できます。 c. したがって、実験的な A vs c 曲線は、deff ⋅ e の積によって与えられる傾きを持つ線形依存性 65,66 を示します。

当社の QCLD センサーの有効光路長は、その吸光度を基準の単反射減衰全反射フーリエ変換赤外 (ATR-FTIR) 干渉計測定の吸光度と比較することによって決定されました。 ATRアクセサリについては、次の結果が得られます: deff = 0.838 μm at 1597 cm−1、H2O中で測定 (e = 10.9 L mol−1 cm−1)67。

D2O 中の一連の BSA 濃度を通じて QCLD センサーの性能を校正し、その A 対 C 曲線を取得しました。この結果を、円二色性 (CD) や FTIR 分光法 13、ファイバーベースの ATR-FTIR 分光法 12 などの ATR ベースのセンサー 9 など、他の現在の最先端の測定技術の結果と比較します。さらに、LOD やプローブ対象の分析物内の有効光路長などのセンサーの重要な性能値 deff を抽出します。これは、主に定性分析を実行する以前の研究とは対照的です34、35、40、68。

図 3 に濃度測定のセットアップを示します。これには、150 mg ml-1 の固定濃度の D2O 中の BSA ストック溶液約 50 ml が含まれています。蠕動ポンプ (Ismatec Reglo ICC、3 チャネル、8 ロール) を使用して、30 ml の純粋な D2O (99.9 原子％ D) で満たされた 2 番目のビーカーに 1 ml の原液を連続的に加えます。 QCLD センサーは D2O ビーカーに直接浸されており、タンパク質を含む溶液への直接曝露に対する堅牢性を示しています。この実験では、1597 cm-1 で発光する QCL 1 にバイアスをかけ、対応する QCD 1 の信号を測定し、350 MHz オシロスコープ (Teledyne LeCroy HDO4034 2.5 GSPS) で分析します。並行して、事前に特性化された 2 つの温度プローブを使用して液体の温度を監視します。(i) 隣接する QCL 2 を 0.5 mA でバイアスし、ソースメーター (Keithley 2400 シリーズ) を使用して、その温度による抵抗変化を高速オンとして監視します。 (ii) さらに温度プローブ (Pt100) を液体に浸します。

蠕動ポンプは、ストック溶液 (150 mg ml-1 の D2O 中の 50 ml BSA) を、最初は純粋な D2O で満たされている測定ビーカーに連続的にポンプで送ります。 QCLD センサーはこの 2 番目のビーカーに直接浸され、濃度の変化を監視します。

図4は、QCLDセンサー（青い四角）とATR-FTIR参照センサー（紫色の丸）を使用して吸光度単位（AU）で測定した、1597 cm-1および室温でのA vs c曲線を示しています。吸光度は、BSA シグナルを以前に測定した D2O のみのベースラインに対して正規化し、この値の 10 進対数をとることによって得られます。ランベルトベールの法則に従うセンサーで予想されるように、線形の校正線が得られます66。我々は、100 μg ml-1 未満から 92 mg ml-1 を超える広範囲の BSA 濃度について 48 μm の溶液をプローブできる能力を強調したいと思います。対照的に、このような実験はこれまで、大規模でかさばる ATR-FTIR ベースのシステムを使用して実行されるのが一般的でした 31,34。

D2O 中の BSA に対する QCLD センサーの吸光度単位 (AU) の結果 (赤い星) と 18 mV クロストーク補正なし (青い四角) の結果 (左目盛)、および単反射 ATR-FTIR システムとの比較 (紫色の丸) 、右スケール）。 ATR-FTIR 信号を見やすくするために、右側のスケールは左側のスケールと比較して 10 の係数で除算されています。

図1aのATRスペクトルは、BSAの吸光度A = 0.00118 AU（吸光度単位）が、20 mg ml-1 BSA溶液中の1597 cm-1でかなり低く、より高い濃度のプローブを可能にすることを明らかにしています。逆に、低濃度域を分析する場合には、高い吸光度で測定することが好ましい。図 4 に示すように、85 mg ml-1 以上では、直線からの逸脱が観察されます。これらは、BSA 濃度の増加に対する QCD シグナルの低下に起因します。センサーで測定できる最大濃度は、1597 cm-1 で 92 mg ml-1 の範囲であると予想されます。

ATR測定と直接比較すると、当社のオンチップセンサーは39倍高い吸光度を示し、明らかに最先端のATR-FTIRシステムを上回る性能を示しています。さらに、追加の保護手段を必要とせずにセンサーを液体に直接浸漬できることは、当社の現場アプローチの明らかな利点であり、高度な化学システムにおける化学反応のリアルタイムのインライン監視が可能になります。これは、ATR-FTIR分光法などの典型的な最先端の分析技術とは大きく対照的であり、これらの分析技術はオフライン測定またはオンライン測定に限定されており、たとえば流体セルとATR結晶69をさらに複雑なものに結合する場合には、そしてかさばるシステム。

QCLD ベースのアプローチのコンパクトさは、前述したセンサーの明らかな利点につながりますが、小さな設置面積 (通常: <25 mm2) の統合の欠点として電気的クロストークが観察されます。この寄生効果は、完全に吸収された脱イオン (DI) H2O 中で測定を実行し、得られた電気的クロストークについて BSA 測定を補正することによって定量化できます。結果は図 4 に赤い星として示されており、ATR-FTIR 設定よりも 55 倍も大きな吸光度値が得られます。これは、55 × deff,ATR = 46.09 μm = deff,QCLD (deff,ATR = 0.838 μm) による有効侵入深さ deff,QCLD の推定に使用でき、次のことを考慮すると実際の長さ 48 μm とよく一致します。モードの 96% は導波路の外側に導かれます。

さらに定量的な分析を行うために、図 4 の実験的な A-vs-c データを、すでに紹介したランベルトベールの法則の公式と以前に取得した deff,ATR = 0.838 μm と組み合わせて使用することによって、この値を計算することもできます。結果を表 2 に示します。得られた値 deff,QCLD = 43.1 μm は、プラズモニック導波路の実際の長さ 48 μm とよく一致しています。

化学センシングにおけるもう 1 つの重要な性能指数として、補足 E に示した ATR-FTIR セットアップと比較して QCLD センサーの LOD を決定しました。オンチップセンサーの LOD を迅速に評価するためにスケールを使用して、D2O 溶液中の 20 mg ml-1 BSA について測定した複数の約 11 秒の長い時間間隔の標準偏差 std(t) を計算し、対応する LOD = 0.092 mV を決定しました (表 3、補足図の傾きを参照)。 3): これは、低濃度範囲 0 ～ 25 mg ml-1 で測定された検量線を使用した、検出可能な BSA の最小濃度変化 (mg ml-1 単位) に対応します。これにより、最小回収可能 BSA 濃度は LOD (mg ml-1) = 75 μg ml-1 ⇒ LOD(ppm) = 75 重量 ppm となり、3 桁を超える (BSA-) 濃度がカバーされます。 75 μg ml-1 および 92 mg ml-1。注目に値するのは、当社の浸漬センサーは液体の温度安定性によってのみ温度が安定しているのに対し、オンチップ温度測定は安定化対策には使用されず、監視目的のみに使用されているということです。比較のために、表 3 に ATR セットアップの LOD を示します。 FTIR ベースの ATR 技術の明らかな利点は、11 秒の測定時間内に完全な IR スペクトル (400 ～ 4000 cm-1) を記録できることにありますが、当社のオンチップセンサーがLOD が 120 分の 1 に低下します。当社の QCLD ベースのセンサーで 1 つの単一波長に対処する場合の欠点は、QC ベースのアレイ概念を直接実装することで大幅に軽減できます 17,70。

文献で報告されているタンパク質センシングの他のアプローチ、特に従来の ATR 技術と組み合わせた SEIRAS (表面増強赤外吸収分光法) に基づくアプローチでは、当社の QCLD (係数 ~2.1 ～ ~18.1) よりもさらに優れた LOD が得られます。しかし、それらは、例えば異なる種類の Au ナノ粒子を追加するなど、より複雑なスキームに依存しています 71,72。これは、将来の研究の一部である QCLD センサーのまだ機能化されていない表面とは対照的です。

図 5 に、BSA の熱変性実験のセットアップを示します。この実験では、カスタムメイドの 60 μl マイクロリットルスケールのフローセルを使用します。段階的な測定ルーチンは「方法」セクションで説明されています。

この実験にはカスタムメイドの 60 μl セルを使用します。ストック溶液 (20、40、および 60 mg ml-1 の D2O 中の 35 ml BSA) を室温から 90 °C まで常に加熱しながら、20 °C の冷却液を入れたビーカーを通して連続的にポンプでセルに送り込みます。 QCLDセンサーを搭載。（連続）測定後はポンプで排出され、廃棄されます。

熱変性プロセス 31 をモニタリングするために、1620 cm-1 の波長に対応する QCLD センサーを採用しました。得られた結果を図 6 に示します。図 6a の吸光度単位 (AU) の絶対値には、濃度系列についてすでに説明したように、クロストーク補正が含まれています。クロストーク補正値を取得するには、2 つの波長での予想される吸光度比、A(1620 cm-1)/A(1597 cm-1) を使用します。我々は 6 mV のクロストークを抽出しました。これは 1620 cm-1 でのセンサー分析と非常によく一致しており、約 10 mV の信号レベルまで妥当な変性曲線を測定できることが明らかになりました。

3 つの異なる BSA 濃度の調査: 20 (赤)、40 (青)、および 60 mg ml-1 (紫)、および転移温度 x0 の抽出。 a 吸光度単位（AU）での絶対測定値（円）とシグモイドボルツマンフィット曲線（実線）。 b (個別に正規化された) ボルツマンフィット曲線の比較。シグモイド形状の吸光度曲線の温度依存性と濃度依存性を示します。

図 6a は、20 mg ml-1 (赤色)、40 mg ml-1 (青色)、60 mg ml-1 (紫) の 3 つの濃度について、45 °C から ~90 °C までのさまざまな温度での吸光度シグナルを示しています。 1620cm−1。調査した 3 つの濃度すべてについて、タンパク質のアンフォールディングプロセスから予想される S 字状の形状を観察することができ 13、文献からの以前の発見を裏付けています 34。私たちのオンライン実験のもう 1 つの利点は、液体消費量が非常に少ないことにあります (ポンプ速度: ~17 μl s-1、マイクロ流体セル容量: ~60 μl)。

測定値の定量的評価および文献との比較のために、図 6b は 3 つすべての BSA 濃度の正規化された吸光度曲線の推移を示しています。実線は、次のように定義された図6aのデータへのフィッティングからの対応するシグモイドボルツマン方程式曲線を示しています。 y = A2 + (A1−A2) ⋅ (1 + \({e}^{{(x-x0)dx} ^{-1}}\))−1、それぞれ初期と最終の吸光度値 A1 と A2、y0 = (A1 + A2) ⋅ 2−1 に対応する x0 値で定義される転移温度 x0、および傾きdx。これらは、BSA 濃度の増加に伴う転移温度の低下など、BSA31 および他のタンパク質に関する文献の他の実験で見られるのと同じ S 字型をたどります 13 (たとえば、タンパク質ポリ-L-リジンについては Schwaighofer et al. も参照 13)。。

このような挙動は、変性プロセス中の加熱速度の関数であることが示されました。したがって、3 つの濃度すべてに対応する加熱を分析し、補足図 4 に示すようにほぼ同一の加熱速度を確認しました。

D2O マトリックスは、H2O における完全に天然の生物物理学的条件と比較して、温度誘発 BSA 変性プロセスを観察するための非常によく似た条件を提供します。したがって、H2O との違いは BSA 変性の転移温度のわずかな上昇にすぎないため、この実験を慎重に選択しました 32。それにもかかわらず、私たちはモノリシックデバイスが現実のタンパク質マトリックス内で動作する能力を最大限に発揮できることを実証したいと考え、純粋な H2O 中で追加の浸漬実験を実施しました。図 7 に示すように、D2O と同様の運転条件で動作バイアス下でセンサー全体を水中に約 1 分間浸し、検出器信号を監視しました。 H2O は光学モードの強度全体を吸収するため、デバイスのコンパクトな性質により、残りの検出器信号はオンチップクロストークから生じ、クロストーク補正に使用できます。水溶液中でセンサーが適切に動作していることは、1 分間の浸漬中に約 0.09 ∘C のわずかな温度変化が見られ、同様の操作を行った後に同時に検出器信号がわずかに増加する (約 0.2 mV) ことからわかります。重水素化溶液と同様の挙動を示します。この実験は 2 つの変性測定の間に行われ、水没前後の性能を比較した際にセンサーの動作に影響やマイナスの影響は観察されなかったことを強調したいと思います。

QCLD センサーを DI-H2O 中で約 1 分間動作させ、温度を約 0.1 ∘C 上昇させたときの検出器信号。

次のステップでは、以前に D2O で実行されたのと同様の反応モニタリング実験用のオンチップ QCLD センサーを実現しますが、水のような高吸収マトリックスで動作するには、デバイスの形状を再設計する必要があります。このような場合には、通常は 10 ～ 15 μm 程度の、はるかに短いプラズモニック相互作用長が必要であり、これは今後の研究の一部です。提示された水中でのモノリシックデバイス動作の基本的なデモンストレーションは、同様の QCLD センサーの使用への扉を開き、生化学および医薬品サンプルのオンチップ中赤外反応モニタリングの全分野を解き放ちます。

結論として、液体中の化学反応の高感度かつ選択的なその場リアルタイム分析に適した、指先サイズの次世代光学中赤外ラボオンチップを示します。

我々は、1597 cm-1 と 1620 cm-1 の波長で動作するセンサーを使用して、D2O マトリックス中のタンパク質 BSA の変性プロセスを分析しました。 QCLD は、単一の小型チップ上での QCL、DLSPP 導波路、および QCD のモノリシック統合に基づいています。これにより、リアルタイムでの現場測定とオンライン測定が可能になり、後者の場合はマイクロリットル量の液体のみを調査します。その高性能は、重量で 75 ppm (=0.0075% m v-1) という非常に低い LOD によって実証され、BSA 濃度の 9.23% m v-1 までランベルトベールの法則に従います。これは、3 桁を超える濃度範囲全体にわたる検量線測定によって確認されます。タンパク質変性の測定では、BSA 処理温度の上昇に伴う典型的な S 字型の吸光度の増加と、濃度依存の転移温度が明らかになりました。後者は、20、40、および60 mg ml-1の濃度で動的変性測定を実行することによって示すことができます。

さらに、D2O 中の BSA のような液体に浸したときの QCLD センサーの挙動は、検体を含むプラズモニック相互作用セクションの FEM ベースのシミュレーション (COMSOL) を通じてモデル化されました。彼らは、このタイプのモノリシックセンサーと材料が、D2O マトリックス中でのセンシングや、広範囲の BSA 濃度での熱変性プロセスの観察に優れた適合性を示しています。これは、リアルタイムでのオンチップの動的反応モニタリングの適切なデモンストレーションを示しています。

水マトリックスを使用した実際のタンパク質条件でのデバイス動作の最初のデモンストレーションを含む、D2O マトリックスを使用したこの研究におけるセンサーの詳細な分析の後、次のステップは、H2O の生物物理学的条件下での動的プロセスの完全な研究です。これには、水中での最も高い吸収ピークを回避するための測定波長の慎重な選択とともに、議論された再設計および最適化されたプラズモニック導波路の形状が必要となります。実行されたシミュレーションの結果を含む現在の作業の結果を利用して、このような最適化された設計を簡単に実装できるようになりました。

BSA の FTIR 吸収測定は、Bruker Optics Platinum ATR モジュール (ダイヤモンド結晶、単反射 1 mm2) および DLaTGS (重水素化ランタンα-アラニンドープトリグリシン硫酸塩) を備えた Bruker Tensor 37 FTIR 分光計 (エットリンゲン、ドイツ) を使用して実行されました。検出器 (D* = 6 × 108 cm \(\sqrt{{{{{{{\rm{Hz}}}}}}}}\) W−1 at 9.2 μm)。測定中、水蒸気吸収が十分に一定になるまで、データ取得前に少なくとも 10 分間、分光計を乾燥空気で常にフラッシュしました。スペクトルは、両面取得モードで 4 cm-1 の解像度で取得されました。ミラー速度は 20 kHz に設定されました。合計 26 回のスキャン (測定時間: 60 秒) をスペクトルごとに平均し、Blackman-Harris 3 項アポダイゼーション関数とゼロ充填係数 2 を使用して計算しました。すべてのスペクトルは 25 °C で取得されました。記録された ATR-FTIR スペクトルは高度な ATR 補正で処理され、ソフトウェアパッケージ OPUS 8.1 (Bruker、エットリンゲン、ドイツ) を使用して分析されました。定量的測定のために、1〜50 mg ml-1の濃度のD2O中のBSA溶液30μlをATR結晶上に置き、FTIRスペクトルを記録した。感度、または線形回帰の傾き m は、次のように検出限界 (LOD) の計算に使用されました: LOD = 3 ⋅ RMS ノイズ ⋅ m−1。機器の二乗平均平方根 (RMS) ノイズは、1550 ～ 1650 cm-1 のスペクトル領域で (それぞれのスキャン数で) 測定され、校正線の傾きは 1597 cm-1 で決定されました。

モノリシック QCLD センサーを使用したすべての測定 (濃度および変性シリーズ) は同じルーチンに従います。最初に純粋な D2O での参照測定が実行されます (データポイントあたりの平均時間: 2 秒、通常のデータ取得時間: 30 ～ 60 秒)。ベースラインの直後にBSA測定が続きます。これにより、BSA を含むすべての測定値に対して個別の正確な基準測定値が得られます。マイクロ流体セルにおける変性測定の場合、固定濃度の分析物で少なくとも 60 秒間セルをフラッシュしました。各測定の後、チップ表面から以前の BSA 暴露の残留物を除去するために、センサーを D2O で数分間パージ、つまり洗浄しました。

注目に値するのは、チップが合計 40 時間以上溶液中に浸漬され、動作したことです。これには、純粋な D2O を使用したキャリブレーション測定とパージ、および D2O 中の BSA を使用した測定が含まれます。液体中での合計動作時間は、バイアスを適用した場合と適用しない場合で異なります。

BSA のオンチップ吸収測定は、次の 3 ステップのルーチンに基づいて実行されました。

(i) 加熱: D2O に溶解した BSA 35 ml を含むビーカーを、3 つの異なる濃度: 20、40、および 60 mg ml-1 で準備します。次に、分析対象物は、蠕動ポンプ (Ismatec Reglo ICC、3 チャンネル、8 ロール) によって 1 ml の速度で連続的に送られながら、~20 °C から ~90 °C まで絶えず加熱されます (加熱速度: ~0.1 °C)。適切なマイクロ流体チューブを使用して、セットアップの冷却部分に min-1 を加えます。

(ii) 冷却: 液体分析物を 21 °C の測定温度まで急速に冷却するために、マイクロ流体チューブは、約 20 °C に熱的に安定化された脱イオン水が入ったビーカー内を案内されます。マイクロ流体チューブ内の BSA 溶液の量は少ないため、最大加熱温度 90 °C であっても、冷却液に数秒浸すだけで効果的に冷却できます。これは、加熱浴の適用温度のいずれにおいても、マイクロリットルスケールの測定セル内に観察可能な温度上昇がないことによって確認されます。

(iii) 駆動と測定: 最後に、センサーチップの上部に取り付けられたカスタムメイドのマイクロ流体アルミニウムセル (容量: 60 μl) に液体がポンプで注入され、マイクロリットル測定機能が実証されます。セル全体の温度を 21 °C に安定させながら、1620 cm-1 で動作する対応する QCL (パルス: 100 ns、繰り返し周波数: 5 kHz、Avtech AVL-2-B パルス発生器) にバイアスをかけて測定を実行します。 350 MHz オシロスコープ (Teledyne LeCroy HDO4034 2.5 GSPS) を使用してオンチップ QCD 信号を読み取ります。その後、サンプルはマイクロリットルセルからポンプで汲み出され、廃棄されます。

研究デザインの詳細については、この記事にリンクされている Nature Research レポートの概要をご覧ください。

この研究で生成されたデータは、アクセッションコード https://doi.org/10.5281/zenodo.6930083 で Zenodo データベースに保管されています。

スリーカンス、KV et al. 双曲線メタマテリアルに基づいた極めて高感度のバイオセンシングプラットフォーム。ナット。メーター。 15、621–627 (2016)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kosterev、AA および Tittel、FK 量子カスケードレーザーに基づく化学センサー。 J.量子電子。 38、582–591 (2002)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ベイカー、MJ 他フーリエ変換 IR 分光法を使用して生体物質を分析します。ナット。プロトック。 9、1771–1791 (2014)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Homola, J.、Yee, SS、Gauglitz, G. 表面プラズモン共鳴センサー: レビュー。 Sens. Actuators、B Chem. 54、3–15 (1999)。

記事 CAS Google Scholar

Schreiber, F.、Wunderlin, P.、Udert, KM & Wells, GF 天然微生物群集および人工微生物群集における一酸化窒素および亜酸化窒素代謝回転: 生物学的経路、化学反応、および新規技術。フロント。微生物。 3、1–24 (2012)。

記事 Google Scholar

キルガス、J.ら。スーパーコンティニュームレーザーを用いた回折限界中赤外反射顕微鏡分光法。オプション。エクスプレス 26、23 (2018)。

ヒンコフ、B.ら。外部共振器量子カスケードレーザーの時間分解スペクトル特性と爆発物のスタンドオフ検出への応用。応用物理学。 B レーザー Opt. 100、253–260 (2010)。

記事 ADS CAS Google Scholar

フックス、F.ら。調整可能なMIR量子カスケードレーザーを使用した爆発物の画像スタンドオフ検出。手順 SPIE 7608 (2010)。

Haas, J. & Mizaikoff, B. 化学分析のための中赤外分光法の進歩。アンヌ。アナル牧師。化学。 9、45–68 (2016)。

記事 Google Scholar

ヒンコフ、B.ら。中赤外リングおよびリッジ量子カスケードレーザーの高周波変調と (準) 単側波帯放射。オプション。エクスプレス 27、14716 ～ 14724 (2019)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Schwaighofer, A.、Brandstetter, M.、Lendl, B. 生物医学分光法における量子カスケードレーザー (QCL)。化学。社会 Rev. 46、5903–5924 (2017)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ルー、R.ら。中赤外光ファイバーセンサーを使用して、熱誘発変性中のウシ血清アルブミンの二次構造を調査します。アナリスト 140、765–770 (2015)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Schwaighofer, A.、Alcaráz, MR、Araman, C.、Goicoechea, H. & Lendl, B. 低濃度でのタンパク質の二次構造分析のための外部共振器量子カスケードレーザー赤外分光法。科学。議員番号 6、33556 (2016)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dabrowska、A. et al. 乳タンパク質分析用の量子カスケード検出器を使用した広帯域レーザーベースの中赤外分光法。 Sens. アクチュエーター B Chem. 350、130873 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Riedi, S.、Hugi, A.、Bismuto, A.、Beck, M. & Faist, J. 3 ～ 4 μm ウィンドウでの広帯域外部キャビティ調整。応用物理学。レット。 103、031108 (2013)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zhou, W.、Wu, D.、McClintock, R.、Slivken, S. & Razeghi, M. 高性能モノリシックで広範囲に調整可能な中赤外量子カスケードレーザー。 Optica 4、4–7 (2017)。

記事 Google Scholar

ラウター、P. et al. 量子カスケードレーザーマスターオシレーターパワーアンプの高出力アレイ。オプション。エクスプレス 21、4518 (2013)。

論文 ADS PubMed Google Scholar

Griffiths、PR & de Haseth、JA フーリエ変換赤外スペクトル: 振動分光法入門 1–18 (John Wiley & Sons, Ltd、2007)。

Kosterev、A.ら。微量ガス分析への量子カスケードレーザーの応用。応用物理学。 B レーザー Opt. 90、165–176 (2008)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Barth、A. タンパク質の赤外分光法。ビオチム。生物物理学。 Acta 1767、1073–1101 (2007)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Schwaighofer, A. & Lendl, B. 溶液中のタンパク質の量子カスケードレーザーベースの赤外透過分光法。バイブ。分光器。タンパク質分解能 59–88 (2020)。

アクガー、CK et al。次世代の IR 分光法: バランスのとれた検出を備えた EC-QCL ベースのタンパク質の中赤外透過分光法。アナル。化学。 92、9901–9907 (2020)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Szwarcman, D.、Penello, GM、Kawabashi, RMS、Pires, MP & Souza, PL ポータブル機器用の赤外線光検出器を使用した乳タンパク質の定量化。 J.食品工学 308、110676 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

ノラハン、MJ 他ケージド化合物と量子カスケードレーザー周波数コムを適用した非反復タンパク質反応のマイクロ秒分解赤外分光法。アナル。化学。 93、6779–6783 (2021)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Amenabar, I. et al. 赤外ナノ分光法による個々のタンパク質複合体の構造分析とマッピング。ナット。共通。 4、2890 (2013)。

論文 ADS PubMed CAS Google Scholar

シュワルツ、B.ら。プラズモニクスと量子カスケード構造を使用してモノリシックに統合された中赤外ラボオンチップ。ナット。共通。 5、4085 (2014)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Ristanic、D. et al. ナローモード動作と温度フィードバックを使用するモノリシックに統合された中赤外線センサー。応用物理学。レット。 106、041101 (2015)。

記事 ADS CAS Google Scholar

デビッド、M. 他半導体負荷プラズモニクスに基づいた、オクターブにまたがる低損失の中赤外導波路。オプション。 Express 29、43567 ～ 43579 (2021)。

記事 ADS CAS Google Scholar

シュワルツ、B.ら。同じ周波数の発振と検出のための二機能量子カスケードデバイス。応用物理学。レット。 101、191109 (2012)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Barreca, D. et al. ウシ血清アルブミンの熱誘起二次構造および立体構造変化に対するトレハロースの抗凝集特性。生物物理学。化学。 147、146–152 (2010)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Murayama, K. & Tomida, M. A フーリエ変換赤外分光法により調べたウシ血清アルブミンの熱誘起二次構造と立体配座変化。生化学 43、11526–11532 (2004)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Zhou, X.、He, Z. & Huang, H. 温度変化によって誘導されるウシ血清アルブミンの二次構造遷移。バイブ。分光器。 92、273–279 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

バージニア州ボルゾバら。ウシ血清アルブミンの熱変性と凝集の動態。 PLoS ONE 11、1–29 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

高濃度タンパク質製剤の分析ツールとしての Matheus, S.、Friess, W. & Mahler、HC FTIR および nDSC。薬局。解像度 23、1350–1363 (2006)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Militello、V. et al. FTIR分光法と光散乱によって研究されたウシ血清アルブミンの凝集動態。生物物理学。化学。 107、175–187 (2004)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Hédoux、A. et al. トレハロースによるウシ血清アルブミンの熱安定化機構。Ｊ．Ｐｈｙｓ．化学。 B 113、6119–6126 (2009)。

論文 PubMed CAS Google Scholar

De La Arada, I.、seiler, C. & Mäntele, W. ヒトおよびウシ血清アルブミンからのアミロイド原線維形成、その後のフーリエ変換赤外分光法 (FT-IR) と静的光散乱法 (SLS) の準同時実行。ユーロ。生物物理学。 J. 41、931–938 (2012)。

論文 PubMed CAS Google Scholar

Yang, H.、Yang, S.、Kong, J.、Dong, A. & Yu, S. フーリエ変換 IR 分光法を使用した水溶液中のタンパク質の二次構造に関する情報の取得。ナット。プロトック。 10、382–396 (2015)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Güler, G.、Vorob'ev, MM、Vogel, V. & Mäntele, W. フーリエ変換赤外 (FT-IR) および UV 円二色性分光法によってモニターされたウシ血清アルブミンのタンパク質二次構造のタンパク質分解誘発変化。スペクトロチム。アクタ - パート A モル。バイオモル。分光器。 161、8–18 (2016)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Dabrowska, A.、Schwaighofer, A.、Lindner, S. & Lendl, B. 外部共振器量子カスケードレーザーベースのマッハツェンダー干渉計を使用したタンパク質検出用の中赤外屈折率センサー。オプション。 Express 28、36632–36642 (2020)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Strazdaite, S.、Navakauskas, E.、Kirschner, J.、Sneideris, T. & Niaura, G. 脂質/水界面および空気/水界面に吸着した鶏卵白リゾチーム凝集体の構造決定。ラングミュア 36、4766–4775 (2020)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

De Meutter, J. & Goormaghtigh, E. FTIR スペクトルからのタンパク質の二次構造の評価は、部分的な重水素化後に改善されました。ユーロ。生物物理学。 J. 50, 613–628 (2021)。

論文 PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Lorenz-Fonfria、VA タンパク質の赤外差分光法: バンドから結合まで。化学。改訂 120、3466–3576 (2020)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Arrondo, JLR & Goñi, FM 赤外分光法で研究された膜タンパク質の構造とダイナミクス。プログレ。生物物理学。モル。バイオル。 72、367–405 (1999)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

シュナウス、J. 他スローモーションの細胞: 明らかな過冷却により、生理学的温度でのガラス状の挙動が増加します。上級メーター。 33、2101840 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Fabian, H. & Mäntele, W. 振動分光法ハンドブック 613–628 (2006)。

Schwaighofer, A.、Akhgar, CK & Lendl, B. タンパク質の分析と酵素活性のモニタリングのための広帯域レーザーベースの中赤外分光法。スペクトロチム。アクタパートＡＭｏｌ．バイオモル。分光器。 253、119563 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Faist、J.ら。量子カスケードレーザー。サイエンス 264、553–556 (1994)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

ヤング、C.ら。外部キャビティの広範囲に調整可能な量子カスケードレーザーベースの中空導波路ガスセンサーで、複数の分析物を検出します。 Sens. Actuators、B Chem. 140、24–28 (2009)。

記事 CAS Google Scholar

Patimisco, P.、Sampaolo, A.、Dong, L.、Tittel, FK、Spagnolo, V. 石英の最近の進歩により、光音響センシングが強化されました。応用物理学。改訂版 5、011106 (2018)。

Hofstetter, D.、Beck, M. & Faist, J. 光検出器としての量子カスケードレーザー構造。応用物理学。レット。 81、2683–2685 (2002)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ジョルジェッタ、FR 他量子カスケード検出器。 IEEE J. 量子電子。 45、1029–1042 (2009)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ジョリベット、A.ら。 m 面 ZnO/ZnMgO 量子井戸に基づく短赤外波長量子カスケード検出器。応用物理学。レット。 113、251104 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

ヒンコフ、B.ら。電力損失が 1 W 未満のシングルモード量子カスケードレーザー。レット。 48、646 (2012)。

記事 ADS Google Scholar

Hinkov, B.、Hugi, A.、Beck, M. & Faist, J. 中赤外分布フィードバック量子カスケードレーザーの Rf 変調。オプション。エクスプレス 24、3294 (2016)。

論文 ADS PubMed Google Scholar

Gmachl, C. et al. シングルモード、調整可能な分布帰還型および複数波長の量子カスケードレーザー。 IEEE J. 量子電子。 38、569–581 (2002)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Lu、QY、Bai、Y.、Bandyopadhyay、N.、Slivken、S.、Razeghi、M. 分布帰還型量子カスケードレーザーの 2.4 W 室温連続波動作。応用物理学。レット。 98、2011–2014 (2011)。

Google スカラー

Knötig, H. et al. 室温で垂直発光リングバンド間カスケードレーザーの連続波動作。応用物理学。レット。 116、131101 (2020)。

コステレフ、AA 他。パルス熱電冷却量子カスケード分布フィードバックレーザーに基づく可搬型自動アンモニアセンサー。応用オプション。 41, 573 (2002)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Paschotta, R.、Telle, HR & Keller, U. Solid State Lasers Applications 473–510 (2007)。

Hugi, A.、Villares, G.、Blaser, S.、Liu, HC & Faist, J. 量子カスケードレーザーに基づく中赤外周波数コム。 Nature 492、229–233 (2012)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Villares, G.、Hugi, A.、Blaser, S. & Faist, J. 量子カスケードレーザー周波数コムに基づくデュアルコム分光法。ナット。共通。 5,5192（2014）。

Hinkov, B.、Beck, M.、Gini, E. & Faist, J. ワットレベルの光出力パワーを備えたマスターオシレーターパワーアンプ構成の量子カスケードレーザー。オプション。エクスプレス 21、19180 ～ 19186 (2013)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Kischkat、J. et al. 酸化アルミニウム、二酸化チタン、二酸化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素の薄膜の中赤外光学特性。応用オプション。 51、6789–6798 (2012)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Ramer, G. & Lendl, B. 減衰全反射フーリエ変換赤外分光法の謝辞。エンサイク。アナル。化学。 1–27 (2013)。

ヨギ、C.ら。 TiO2膜およびAu粒子-TiO2複合膜によるメチレンブルーの光触媒分解。薄い固体フィルム 516、5881–5884 (2008)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Venyaminov、SY & Prendergast、FG 1000 ～ 4000 cm-1 範囲の水 (H2O および D2O) モル吸光度と水溶液の定量的赤外分光分析。アナル。生化学。 248、234–245 (1997)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Zhang, J. & Yan, YB 定量的二次微分赤外分光法によるタンパク質の構造変化を調べる 1000 ～ 4000 cm-1 における水 (H2O および D2O) のモル吸光度。アナル。生化学。 340、89–98 (2005)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Baumgartner、B. et al. ATR-FTIR分光法を用いた水の吸着/脱着からのメソポーラスシリカ膜中の閉じ込められた水の細孔サイズ依存構造。ラングミュア 35、11986–11994 (2019)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

スース、MJ et al. シングルモードおよびマルチ波長 MIR-QCL の高度な製造。フォトニクス 3、1–18 (2016)。

Google スカラー

Bibikova, O. et al. 金ナノスターと球状ナノ粒子に基づく表面増強赤外吸収分光法。アナル。チム。 Acta 990、141–149 (2017)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

López-Lorente, AI、Wang, P. & Mizaikoff, B. ラベルフリーの中赤外タンパク質アッセイに向けて: ウシ血清アルブミンの表面増強赤外吸収分光法のための裸の金ナノ粒子の in-situ 形成。マイクロチム。 Acta 184、453–462 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Baumgartner, B.、Hayden, J.、Schwaighofer, A.、Lendl, B. 吸着プロセスのモニタリングと微量分析のためのメソポーラスシリカ膜のその場 IR 分光法。 ACS アプリケーションナノメーター。 1、7083–7091 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Wacht、D. et al. 全反射減衰フーリエ変換赤外 (ATR FT-IR) 分光法を使用したセンシング用途向けのメソポーラスジルコニアコーティング。応用分光器。 76、141–149 (2022)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

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W. Schrenk および E. Gornik との実りある議論が大いに認められました。専門家の技術支援をいただいた A. Linzer 氏と IC Doganlar 氏に感謝いたします。 BH と MD は EU Horizon 2020 フレームワークプログラム (プロジェクト cFlow、No. 828893) から資金提供を受けました。この研究は、BMK、BMDW、オーバーエスターライヒ州およびウィーン連邦管区によるCOMET - 優れた技術のためのコンピテンスセンタープログラム内のCOMET Center CHASE (プロジェクト番号 868615) から資金提供されました。 COMET プログラムはオーストリア研究促進庁 (FFG) によって管理されています。 BH は、オーストリア科学基金 FWF (M2485-N34) および AS による資金提供 (プロジェクト番号 P32644-N) を認めます。 PLS は、CAPES-Brazil (88887.477460/2020-00) から受けたサポートに感謝します。 MEYS CR が資金提供した CzechNanoLab プロジェクト LM2018110 は、CEITEC Nano Research Infrastructure での測定に対する財政的支援に感謝いたします。 AMA は、EOARD/AFOSR (FA8655-22-1-7170) および助成契約番号 (883941、「Green Sensing MIR」) に基づく FFG からの資金提供を認めています。

ソリッドステートエレクトロニクス研究所 & マイクロおよびナノ構造センター、TU Wien、1040、ウィーン、オーストリア

ボリスラフ・ヒンコフ、フロリアン・ピラット、パトリシア・L・ソウザ、マウロ・ダヴィッド、ダニエラ・リスタニッチ、ベネディクト・シュヴァルツ、ヘルマン・デッツ、アーロン・M・アンドリュース、ゴットフリート・シュトラッサー

化学技術分析研究所、TU Wien、1060、ウィーン、オーストリア

ローリン・ラックス、アンドレアス・シュヴァイクホファー、ベルンハルト・レンドル

LabSem-CETUC、リオデジャネイロ教皇庁カトリック大学、リオデジャネイロ、ブラジル

パトリシア・L・ソウザ

CEITEC、ブルノ工科大学、ブルノ、チェコ共和国

ハーマン・デッツ

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BH、FP、LL、PLS、AS が実験を設計し、液体測定を実行しました。 PLS は量子カスケードデバイスの特性を明らかにしました。 HD と AMA は量子カスケード構造を成長させました。 DR と BS がデバイスを製造しました。 MD は数値シミュレーションを実行しました。 BH と AS は結果を分析しました。 BH は、FP、AS、AMA、BL、GS からの編集意見をもとに原稿を書きました。著者全員が原稿を読み、論文についてコメントしました。

ボリスラフ・ヒンコフへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた Chris Phillips と他の匿名の査読者に感謝します。査読者レポートが利用可能です。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

オープンアクセスこの記事はクリエイティブコモンズ表示 4.0 国際ライセンスに基づいてライセンスされており、元の著者と情報源に適切なクレジットを表示する限り、あらゆる媒体または形式での使用、共有、翻案、配布、複製が許可されます。クリエイティブコモンズライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられたかどうかを示します。この記事内の画像またはその他のサードパーティ素材は、素材のクレジットラインに別段の記載がない限り、記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブコモンズライセンスに含まれておらず、意図した使用が法的規制で許可されていない場合、または許可されている使用を超えている場合は、著作権所有者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを表示するには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ にアクセスしてください。

転載と許可

ヒンコフ、B.、ピラット、F.、ラックス、L. 他。動的反応モニタリング用の中赤外線ラボオンチップ。 Nat Commun 13、4753 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-32417-7

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受信日: 2022 年 2 月 14 日

受理日: 2022 年 7 月 29 日

公開日: 2022 年 8 月 13 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32417-7

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