Abstract The steadily increasing demand for accurate analysis of vitamin D level, via measurement of its best general marker, 25-hydroxyvitamin D (25(OH)D), pushes for the development of novel automated assays capable of working at very low concentrations. Here, we propose a plasmonic biosensor of 25(OH)D3 (calcifediol) based on surface-enhanced infrared absorption spectroscopy, which exploits the resonant coupling between plasmonic nanoantennas and vibrational excitation of small molecules. Specifically, our proposed platform features a large-area (several mm2) metasurface made of gold nanoantennas fabricated on a silicon substrate, comprising different macroregions (“pixels”) of area 500 × 500 µm2. In each pixel, the nanoantenna geometrical parameters are tuned so as to support localized surface plasmon resonances (and hence large field enhancements at the nanoscale) within different regions of the infrared spectrum. As a result, a single chip is capable of performing analysis from the region of functional groups to that of fingerprint. Two different designs are fabricated via electron beam lithography, functionalized with a correlated antibody for the detection of 25(OH)D3, and characterized via Fourier-transform infrared spectroscopy. Our experiments demonstrate the capability to detect a concentration as low as 86 pmol/L, and an amount of immobilized small molecules of 25(OH)D3 monohydrate (molecular weight: 418.65 g/mol) as low as 4.31 amol over an area of 100 × 100 µm2.

中文翻译：

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用于维生素 D 多波长检测的像素化超表面

摘要 对维生素 D 水平准确分析的需求不断增加，通过测量其最佳通用标志物 25-羟基维生素 D (25(OH)D)，推动了能够在极低浓度下工作的新型自动化检测方法的开发。在这里，我们提出了一种基于表面增强红外吸收光谱的 25(OH)D3（骨化二醇）等离子体生物传感器，它利用了等离子体纳米天线与小分子振动激发之间的共振耦合。具体来说，我们提出的平台具有大面积（几个 mm2）的超表面，由在硅基板上制造的金纳米天线制成，包括面积为 500 × 500 µm2 的不同宏观区域（“像素”）。在每个像素中，纳米天线的几何参数经过调整，以支持红外光谱不同区域内的局部表面等离子体共振（以及纳米级的大场增强）。因此，单个芯片能够进行从官能团区域到指纹区域的分析。两种不同的设计是通过电子束光刻制造的，用相关抗体进行功能化以检测 25(OH)D3，并通过傅里叶变换红外光谱进行表征。我们的实验证明能够检测低至 86 pmol/L 的浓度，以及在 100 个区域内检测低至 4.31 amol 的 25(OH)D3 一水合物（分子量：418.65 g/mol）固定小分子的能力。 × 100 µm2。因此，单个芯片能够进行从官能团区域到指纹区域的分析。两种不同的设计是通过电子束光刻制造的，用相关抗体进行功能化以检测 25(OH)D3，并通过傅立叶变换红外光谱进行表征。我们的实验证明能够检测低至 86 pmol/L 的浓度，以及在 100 个区域内检测低至 4.31 amol 的 25(OH)D3 一水合物（分子量：418.65 g/mol）固定小分子的能力。 × 100 µm2。因此，单个芯片能够进行从官能团区域到指纹区域的分析。两种不同的设计是通过电子束光刻制造的，用相关抗体进行功能化以检测 25(OH)D3，并通过傅里叶变换红外光谱进行表征。我们的实验证明能够检测低至 86 pmol/L 的浓度，以及在 100 个区域内检测低至 4.31 amol 的 25(OH)D3 一水合物（分子量：418.65 g/mol）固定小分子的能力。 × 100 µm2。并通过傅里叶变换红外光谱表征。我们的实验证明能够检测低至 86 pmol/L 的浓度，以及在 100 个区域内检测低至 4.31 amol 的 25(OH)D3 一水合物（分子量：418.65 g/mol）固定小分子的能力。 × 100 µm2。并通过傅里叶变换红外光谱表征。我们的实验证明能够检测低至 86 pmol/L 的浓度，以及在 100 个区域内检测低至 4.31 amol 的 25(OH)D3 一水合物（分子量：418.65 g/mol）固定小分子的能力。 × 100 µm2。