Abstract

We have investigated enhanced surface plasmon resonance detection through colocalization of gold nanoparticle (GNP)-conjugated target molecules and near-fields established by nanograting-based antennas. The target colocalization was implemented by angled dielectric thin-film deposition on the nanograting structure. The concept was tested by detecting DNA hybridization and shows that the colocalization produces an additional 60%–80% increase of resonance shifts. The colocalization involves a much smaller number of target molecules, so that the measured enhancement per molecule by the colocalization of GNP-conjugated DNA oligomers was estimated to be by more than 2 orders of magnitude relative to that of thin-film-based conventional detection.

© 2011 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. C. T. Campbell and G. Kim, Biomaterials 28, 2380 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. L. He, M. D. Musick, S. R. Nicewarner, F. G. Salinas, S. J. Benkovic, M. J. Natan, and C. D. Keating, J. Am. Chem. Soc. 122, 9071 (2000).
    [CrossRef]
  3. K. Kim, S. J. Yoon, and D. Kim, Opt. Express 14, 12419(2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. F.-C. Chien and S.-J. Chen, Opt. Lett. 31, 187 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. L. Malic, B. Cui, T. Veres, and M. Tabrizian, Opt. Lett. 32, 3092 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. S. G. Nelson, K. S. Johnston, and S. S. Yee, Sens. Actuators B 35, 187 (1996).
    [CrossRef]
  7. S. Y. Wu, H. P. Ho, W. C. Law, C. Lin, and S. K. Kong, Opt. Lett. 29, 2378 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. S. Moon, D. J. Kim, K. Kim, D. Kim, H. Lee, K. Lee, and S. Haam, Appl. Opt. 49, 484 (2010).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. K. Kim, D. J. Kim, S. Moon, D. Kim, and K. M. Byun, Nanotechnology 20, 315501 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. X. D. Hoa, A. G. Kirk, and M. Tabrizian, Biosens. Bioelectron. 24, 3043 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. K. Ma, D. J. Kim, K. Kim, S. Moon, and D. Kim, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 16, 1004 (2010).
    [CrossRef]
  12. A. E. Gerdon, S. S. Oh, K. Hsieh, Y. Ke, H. Yan, and H. T. Soh, Small 5, 1942 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. A. Shalabney and I. Abdulhalim, Sens. Actuators A 159, 24 (2010).
    [CrossRef]
  14. S. Elhadj, G. Singh, and R. F. Saraf, Langmuir 20, 5539(2004).
    [CrossRef]
  15. F. Fixe, H. M. Branz, N. Louro, V. Chu, D. M. F. Prazeres, and J. P. Conde, Biosens. Bioelectron. 19, 1591 (2004).
    [CrossRef] [PubMed]
  16. J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]

2010

S. Moon, D. J. Kim, K. Kim, D. Kim, H. Lee, K. Lee, and S. Haam, Appl. Opt. 49, 484 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

K. Ma, D. J. Kim, K. Kim, S. Moon, and D. Kim, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 16, 1004 (2010).
[CrossRef]

A. Shalabney and I. Abdulhalim, Sens. Actuators A 159, 24 (2010).
[CrossRef]

2009

A. E. Gerdon, S. S. Oh, K. Hsieh, Y. Ke, H. Yan, and H. T. Soh, Small 5, 1942 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

K. Kim, D. J. Kim, S. Moon, D. Kim, and K. M. Byun, Nanotechnology 20, 315501 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

X. D. Hoa, A. G. Kirk, and M. Tabrizian, Biosens. Bioelectron. 24, 3043 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

2008

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

2007

2006

2004

S. Y. Wu, H. P. Ho, W. C. Law, C. Lin, and S. K. Kong, Opt. Lett. 29, 2378 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

S. Elhadj, G. Singh, and R. F. Saraf, Langmuir 20, 5539(2004).
[CrossRef]

F. Fixe, H. M. Branz, N. Louro, V. Chu, D. M. F. Prazeres, and J. P. Conde, Biosens. Bioelectron. 19, 1591 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

2000

L. He, M. D. Musick, S. R. Nicewarner, F. G. Salinas, S. J. Benkovic, M. J. Natan, and C. D. Keating, J. Am. Chem. Soc. 122, 9071 (2000).
[CrossRef]

1996

S. G. Nelson, K. S. Johnston, and S. S. Yee, Sens. Actuators B 35, 187 (1996).
[CrossRef]

Abdulhalim, I.

A. Shalabney and I. Abdulhalim, Sens. Actuators A 159, 24 (2010).
[CrossRef]

Benkovic, S. J.

L. He, M. D. Musick, S. R. Nicewarner, F. G. Salinas, S. J. Benkovic, M. J. Natan, and C. D. Keating, J. Am. Chem. Soc. 122, 9071 (2000).
[CrossRef]

Branz, H. M.

F. Fixe, H. M. Branz, N. Louro, V. Chu, D. M. F. Prazeres, and J. P. Conde, Biosens. Bioelectron. 19, 1591 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Byun, K. M.

K. Kim, D. J. Kim, S. Moon, D. Kim, and K. M. Byun, Nanotechnology 20, 315501 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Campbell, C. T.

C. T. Campbell and G. Kim, Biomaterials 28, 2380 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Chen, S.-J.

Chien, F.-C.

Chu, V.

F. Fixe, H. M. Branz, N. Louro, V. Chu, D. M. F. Prazeres, and J. P. Conde, Biosens. Bioelectron. 19, 1591 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Cicero, R. L.

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Conde, J. P.

F. Fixe, H. M. Branz, N. Louro, V. Chu, D. M. F. Prazeres, and J. P. Conde, Biosens. Bioelectron. 19, 1591 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Cui, B.

Elhadj, S.

S. Elhadj, G. Singh, and R. F. Saraf, Langmuir 20, 5539(2004).
[CrossRef]

Fixe, F.

F. Fixe, H. M. Branz, N. Louro, V. Chu, D. M. F. Prazeres, and J. P. Conde, Biosens. Bioelectron. 19, 1591 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Foquet, M.

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Gerdon, A. E.

A. E. Gerdon, S. S. Oh, K. Hsieh, Y. Ke, H. Yan, and H. T. Soh, Small 5, 1942 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Gray, J. J.

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Haam, S.

He, L.

L. He, M. D. Musick, S. R. Nicewarner, F. G. Salinas, S. J. Benkovic, M. J. Natan, and C. D. Keating, J. Am. Chem. Soc. 122, 9071 (2000).
[CrossRef]

Ho, H. P.

Hoa, X. D.

X. D. Hoa, A. G. Kirk, and M. Tabrizian, Biosens. Bioelectron. 24, 3043 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Hsieh, K.

A. E. Gerdon, S. S. Oh, K. Hsieh, Y. Ke, H. Yan, and H. T. Soh, Small 5, 1942 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Johnston, K. S.

S. G. Nelson, K. S. Johnston, and S. S. Yee, Sens. Actuators B 35, 187 (1996).
[CrossRef]

Ke, Y.

A. E. Gerdon, S. S. Oh, K. Hsieh, Y. Ke, H. Yan, and H. T. Soh, Small 5, 1942 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Keating, C. D.

L. He, M. D. Musick, S. R. Nicewarner, F. G. Salinas, S. J. Benkovic, M. J. Natan, and C. D. Keating, J. Am. Chem. Soc. 122, 9071 (2000).
[CrossRef]

Kim, D.

S. Moon, D. J. Kim, K. Kim, D. Kim, H. Lee, K. Lee, and S. Haam, Appl. Opt. 49, 484 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

K. Ma, D. J. Kim, K. Kim, S. Moon, and D. Kim, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 16, 1004 (2010).
[CrossRef]

K. Kim, D. J. Kim, S. Moon, D. Kim, and K. M. Byun, Nanotechnology 20, 315501 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

K. Kim, S. J. Yoon, and D. Kim, Opt. Express 14, 12419(2006).
[CrossRef] [PubMed]

Kim, D. J.

S. Moon, D. J. Kim, K. Kim, D. Kim, H. Lee, K. Lee, and S. Haam, Appl. Opt. 49, 484 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

K. Ma, D. J. Kim, K. Kim, S. Moon, and D. Kim, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 16, 1004 (2010).
[CrossRef]

K. Kim, D. J. Kim, S. Moon, D. Kim, and K. M. Byun, Nanotechnology 20, 315501 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Kim, G.

C. T. Campbell and G. Kim, Biomaterials 28, 2380 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Kim, K.

S. Moon, D. J. Kim, K. Kim, D. Kim, H. Lee, K. Lee, and S. Haam, Appl. Opt. 49, 484 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

K. Ma, D. J. Kim, K. Kim, S. Moon, and D. Kim, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 16, 1004 (2010).
[CrossRef]

K. Kim, D. J. Kim, S. Moon, D. Kim, and K. M. Byun, Nanotechnology 20, 315501 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

K. Kim, S. J. Yoon, and D. Kim, Opt. Express 14, 12419(2006).
[CrossRef] [PubMed]

Kirk, A. G.

X. D. Hoa, A. G. Kirk, and M. Tabrizian, Biosens. Bioelectron. 24, 3043 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Kong, S. K.

Korlach, J.

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Law, W. C.

Lee, H.

Lee, K.

Lin, C.

Louro, N.

F. Fixe, H. M. Branz, N. Louro, V. Chu, D. M. F. Prazeres, and J. P. Conde, Biosens. Bioelectron. 19, 1591 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Ma, K.

K. Ma, D. J. Kim, K. Kim, S. Moon, and D. Kim, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 16, 1004 (2010).
[CrossRef]

Malic, L.

Marks, P. J.

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Moon, S.

K. Ma, D. J. Kim, K. Kim, S. Moon, and D. Kim, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 16, 1004 (2010).
[CrossRef]

S. Moon, D. J. Kim, K. Kim, D. Kim, H. Lee, K. Lee, and S. Haam, Appl. Opt. 49, 484 (2010).
[CrossRef] [PubMed]

K. Kim, D. J. Kim, S. Moon, D. Kim, and K. M. Byun, Nanotechnology 20, 315501 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Murphy, D. L.

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Musick, M. D.

L. He, M. D. Musick, S. R. Nicewarner, F. G. Salinas, S. J. Benkovic, M. J. Natan, and C. D. Keating, J. Am. Chem. Soc. 122, 9071 (2000).
[CrossRef]

Natan, M. J.

L. He, M. D. Musick, S. R. Nicewarner, F. G. Salinas, S. J. Benkovic, M. J. Natan, and C. D. Keating, J. Am. Chem. Soc. 122, 9071 (2000).
[CrossRef]

Nelson, S. G.

S. G. Nelson, K. S. Johnston, and S. S. Yee, Sens. Actuators B 35, 187 (1996).
[CrossRef]

Nicewarner, S. R.

L. He, M. D. Musick, S. R. Nicewarner, F. G. Salinas, S. J. Benkovic, M. J. Natan, and C. D. Keating, J. Am. Chem. Soc. 122, 9071 (2000).
[CrossRef]

Oh, S. S.

A. E. Gerdon, S. S. Oh, K. Hsieh, Y. Ke, H. Yan, and H. T. Soh, Small 5, 1942 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Otto, G. A.

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Pham, T. T.

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Prazeres, D. M. F.

F. Fixe, H. M. Branz, N. Louro, V. Chu, D. M. F. Prazeres, and J. P. Conde, Biosens. Bioelectron. 19, 1591 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

Roitman, D. B.

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Salinas, F. G.

L. He, M. D. Musick, S. R. Nicewarner, F. G. Salinas, S. J. Benkovic, M. J. Natan, and C. D. Keating, J. Am. Chem. Soc. 122, 9071 (2000).
[CrossRef]

Saraf, R. F.

S. Elhadj, G. Singh, and R. F. Saraf, Langmuir 20, 5539(2004).
[CrossRef]

Shalabney, A.

A. Shalabney and I. Abdulhalim, Sens. Actuators A 159, 24 (2010).
[CrossRef]

Singh, G.

S. Elhadj, G. Singh, and R. F. Saraf, Langmuir 20, 5539(2004).
[CrossRef]

Soh, H. T.

A. E. Gerdon, S. S. Oh, K. Hsieh, Y. Ke, H. Yan, and H. T. Soh, Small 5, 1942 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Tabrizian, M.

X. D. Hoa, A. G. Kirk, and M. Tabrizian, Biosens. Bioelectron. 24, 3043 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

L. Malic, B. Cui, T. Veres, and M. Tabrizian, Opt. Lett. 32, 3092 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Turner, S. W.

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Veres, T.

Wu, S. Y.

Yan, H.

A. E. Gerdon, S. S. Oh, K. Hsieh, Y. Ke, H. Yan, and H. T. Soh, Small 5, 1942 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Yee, S. S.

S. G. Nelson, K. S. Johnston, and S. S. Yee, Sens. Actuators B 35, 187 (1996).
[CrossRef]

Yoon, S. J.

Appl. Opt.

Biomaterials

C. T. Campbell and G. Kim, Biomaterials 28, 2380 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Biosens. Bioelectron.

X. D. Hoa, A. G. Kirk, and M. Tabrizian, Biosens. Bioelectron. 24, 3043 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

F. Fixe, H. M. Branz, N. Louro, V. Chu, D. M. F. Prazeres, and J. P. Conde, Biosens. Bioelectron. 19, 1591 (2004).
[CrossRef] [PubMed]

IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.

K. Ma, D. J. Kim, K. Kim, S. Moon, and D. Kim, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 16, 1004 (2010).
[CrossRef]

J. Am. Chem. Soc.

L. He, M. D. Musick, S. R. Nicewarner, F. G. Salinas, S. J. Benkovic, M. J. Natan, and C. D. Keating, J. Am. Chem. Soc. 122, 9071 (2000).
[CrossRef]

Langmuir

S. Elhadj, G. Singh, and R. F. Saraf, Langmuir 20, 5539(2004).
[CrossRef]

Nanotechnology

K. Kim, D. J. Kim, S. Moon, D. Kim, and K. M. Byun, Nanotechnology 20, 315501 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Opt. Express

Opt. Lett.

Proc. Natl. Acad. Sci. USA

J. Korlach, P. J. Marks, R. L. Cicero, J. J. Gray, D. L. Murphy, D. B. Roitman, T. T. Pham, G. A. Otto, M. Foquet, and S. W. Turner, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 1176 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Sens. Actuators A

A. Shalabney and I. Abdulhalim, Sens. Actuators A 159, 24 (2010).
[CrossRef]

Sens. Actuators B

S. G. Nelson, K. S. Johnston, and S. S. Yee, Sens. Actuators B 35, 187 (1996).
[CrossRef]

Small

A. E. Gerdon, S. S. Oh, K. Hsieh, Y. Ke, H. Yan, and H. T. Soh, Small 5, 1942 (2009).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

(a) SEM images of the fabricated nanograting antenna sample for colocalization of target molecules and near-fields. The images were taken at 3.5 ° tilt. Arrows represent the linear openings to the underlying metal surface. (b) Experimental configuration.

Fig. 2
Fig. 2

Normalized overlap integral between target distribution and fields evaluated for detecting dsDNA on various nanograting antenna structures. The dashed curve represents the control value at Λ = 400 nm . Inset shows near-field distribution for colocalized detection by the nanograting antenna with Λ = 400 nm and d g = 20 nm (spatial scales in nm).

Fig. 3
Fig. 3

(a) SPR shifts and SEF measured for various configurations (NA, excitation of hot spots by nanoantennas). Colocalized nanograting antennas showed more than 300 times enhancement of sensitivity when GNP-conjugated DNA hybridization was measured. Insets present SPR curves, (b) with no GNPs (left) and (c) with GNPs (right).

Tables (1)

Tables Icon

Table 1 Angle Shift Measured with Different Configurations and Sensitivity Enhancement Relative to Thin-Film-Based Control

Metrics