Biosensor Metamaterial Logam Murni Terahertz Mencapai Sensitivitas Ultra-Tinggi untuk Deteksi Protein
Abstrak
Dalam makalah ini, biosensor terahertz (THz) berdasarkan metamaterial logam murni diteliti secara teoretis dan diverifikasi secara eksperimental. Biosensor metamaterial THz ini menggunakan bahan stainless steel yang diproduksi melalui teknologi laser-drilling. Hasil simulasi menunjukkan bahwa sensitivitas indeks bias maksimum dan figure of merit dari sensor metamaterial ini masing-masing sebesar 294,95 GHz/RIU dan 4,03. Kemudian, albumin serum sapi dipilih sebagai substansi deteksi untuk menilai efektivitas biosensor ini. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa sensitivitas deteksi adalah 72,81 GHz/(ng/mm2) dan batas deteksi adalah 0,035 mg/mL. Biosensor metamaterial THz ini sederhana, hemat biaya, mudah diproduksi, dan memiliki potensi besar dalam berbagai aplikasi biosensing.
Pendahuluan
Saat ini, dokter biasanya mengumpulkan serum dari pasien di rumah sakit untuk berbagai pemeriksaan. Misalnya deteksi tumor [1,2,3] dan deteksi virus [4,5,6] dll. Metode awal untuk deteksi tumor adalah deteksi protein, karena protein merupakan komponen dari banyak markor tumor, dan biomolekul ini dengan banyak informasi terdapat dalam serum. Albumin serum adalah fraksi protein larut air yang paling banyak (52–62%) dalam plasma darah [7, 8]. Selain itu, fungsi nutrisi dan fisiologis albumin serum menjadikan mereka sebagai biomakromolekul yang penting. Sebagai salah satu albumin serum yang paling populer, albumin serum sapi (BSA) digunakan dalam banyak bidang penelitian. Oleh karena itu, penelitian tentang deteksi BSA sangat penting. Ada banyak metode untuk mendeteksi dan menentukan konsentrasi BSA, termasuk spektroskopi impedansi elektrokimia [9], elektroforesis kapiler [10], dan teknik pencaharan cahaya [11]. Namun, mereka semua memiliki beberapa kelemahan, seperti prosedur yang rumit, reproduktibilitas yang buruk, atau memakan waktu. Oleh karena itu, mengembangkan biosensor baru sangat signifikan dan sangat dibutuhkan.
Gelombang THz berada di antara gelombang mikro dan gelombang optik inframerah dan di zona transisi dari elektronika ke fotonika. Dibandingkan dengan gelombang cahaya, energi foton pada pita ini sangat rendah. Ini berarti gelombang terahertz tidak akan menyebabkan kerusakan radiasi ionisasi pada biomolekul. Banyak biomakromolekul juga memiliki sidik jari unik pada pita terahertz [12,13,14,15]. Oleh karena itu, gelombang terahertz telah menerima perhatian yang cukup besar dalam bidang biosensing [16, 17].
Metamaterial adalah bahan elektromagnetik buatan yang terdiri dari struktur subpanjang gelombang. Resonansi elektromagnetik unik mereka memiliki banyak karakteristik, seperti indeks bias negatif [18, 19], transparansi yang diinduksi elektromagnetik [20, 21], dan sensitivitas lingkungan yang ekstrem [22, 23]. Metamaterial yang sensitif terhadap lingkungan sekitar, terutama yang terdiri dari struktur logam subpanjang gelombang [24,25,26], telah banyak digunakan untuk mendeteksi berbagai biomolekul. Kombinasi gelombang terahertz dan metamaterial menyediakan metode deteksi baru untuk biomolekul biomedis, yang tidak hanya dapat mencapai deteksi bebas label, tetapi juga memperbarui batas resolusi sensor yang ada. Selain itu, deteksi dapat dilakukan secara sederhana dan cepat menggunakan sejumlah kecil analit tanpa reagen kimia.
Pada frekuensi THz, produksi metamaterial biasanya bergantung pada metode pemrosesan level mikron. Fotolitografi [27] atau litografi sinar elektron [28] terutama digunakan untuk mentransfer pola mikro-nano dari fotoresist ke permukaan bahan fungsional, dan kemudian etching basah [29, 30] atau kering [31, 32] diperlukan untuk menyelesaikan pemrosesan akhir metamaterial. Melalui langkah-langkah di atas, pembuatan grafik yang halus dapat dicapai, tetapi sayangnya, sebagian besar metode ini membutuhkan alat pemrosesan yang mahal, lingkungan operasi standar tinggi, dan prosedur pemrosesan yang rumit. Laser drilling [33, 34] adalah teknologi pemrosesan laser praktis pertama, dan juga salah satu bidang aplikasi utama dari pemrosesan laser. Sinar laser sangat terpusat dalam ruang dan waktu. Dengan fokus menggunakan lensa, diameter titik dapat dikurangi ke level mikron, dan kepadatan daya laser sebesar 105–1015 W/cm2 dapat diperoleh. Dengan kepadatan daya yang tinggi ini, laser drilling dapat dilakukan pada hampir semua bahan. Seperti yang diketahui kami, ini adalah kali pertama teknologi laser-drilling diterapkan dalam pembuatan biosensor metamaterial, yang dapat secara signifikan mengurangi biaya pemrosesan biosensor metamaterial dan mempromosikan aplikasi praktisnya.
Dalam studi ini, biosensor terahertz yang sangat sensitif untuk deteksi protein berdasarkan metamaterial logam murni diusulkan, disimulasikan secara teoretis dan ditunjukkan secara eksperimental. Perangkat mudah diproduksi, hemat biaya dan cukup stabil. Ini terdiri dari bahan stainless steel dan diproduksi menggunakan teknologi laser-drilling. Pertama, sensor metamaterial ini disimulasi dan dianalisis menggunakan metode integral hingga, dan sensitivitas indeks bias dihitung. Kemudian biosensor metamaterial THz ini diproduksi dan diukur. Eksperimen mengonfirmasi sensitivitas tinggi sensor ini terhadap lingkungan eksternal. BSA dipilih sebagai substansi deteksi untuk menilai efektivitas biosensor. Rumus Hill digunakan untuk mencocokkan data eksperimental. Sensitivitas deteksi sebesar 72,81 GHz/(ng/mm2) dan batas deteksi (LOD) sebesar 0,035 mg/mL diperoleh. Pengukuran diulang tiga kali untuk memverifikasi keandalan biosensor.
Desain
Gambar 1a menunjukkan struktur biosensor metamaterial terahertz logam murni yang diusulkan. Pola tongkang berlubang dengan susunan periodik sepanjang arah x dan y dibentuk pada lembar stainless steel tebal 50 μm (konduktivitas 1,4 × 106 S/m). Ukuran periode Px dan Py dari struktur unit adalah 500 μm dan 300 μm, masing-masing. Panjang tongkang berlubang L dan jarak H adalah 294 μm dan 60 μm, masing-masing. Jari-jari R lingkaran di kedua ujung tongkang berlubang adalah 60 μm. Biosensor memiliki desain struktur logam murni dan tidak ada substrat dielektrik tradisional. Gelombang terahertz incidente tegak lurus terhadap permukaan biosensor metamaterial.
a Diagram susunan tiga dimensi dan diagram struktur sel biosensor. Parameter struktur adalah Px = 500 μm, Py = 300 μm, L = 294 μm, H = 60 μm, R = 60 μm. b Simulasi transmisi biosensor
Metode dan Simulasi
Kemudian simulasi medan elektromagnetik gelombang penuh tiga dimensi melalui metode integral hingga (perangkat lunak komersial CST) digunakan untuk simulasi berikut. Kondisi batas periodik diterapkan pada arah x dan y, dan lapisan yang cocok sempurna digunakan di arah propagasi gelombang z. Seperti yang ditampilkan di sudut kanan atas Gambar 1a, vektor gelombang medan elektromagnetik insiden kz adalah gelombang datar yang menyebar pada sumbu z, dan medan listrik dan magnetiko difokuskan masing-masing pada sumbu y dan x. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 1b, terdapat puncak transmisi pada 0,48 THz.
Untuk mempelajari mekanisme fisika dari pembentukan puncak resonansi ini, arus permukaan dan medan magnet biosensor pada frekuensi puncak resonansi disimulasikan. Seperti yang ditampilkan di sisi kiri Gambar 2, gelombang elektromagnetik insiden difokuskan pada sumbu y, menginduksi osilasi muatan di kedua ujung pembukaan, menghasilkan dipol listrik. Osilasi muatan diikuti oleh osilasi arus yang berputar berlawanan di ujung kedua lubang lingkaran yang menyelubungi lubang. Ini menghasilkan pasangan dipol magnetiko keluar datar yang berlawanan. Seperti yang ditampilkan di sisi kanan Gambar 2, terdapat pasangan dipol magnetiko yang jelas berlawanan pada sumbu z yang terhubung ujung ke ujung untuk membentuk dipol toroidal. Oleh karena itu, respons metamaterial didominasi oleh kombinasi dipol listrik dan toroidal.
Diagram distribusi arus permukaan simulasi dan distribusi medan magnet (y = 0 μm) pada 0,48 THz
Karena performa sensor dipengaruhi oleh parameter struktur, perlu untuk mengoptimalkan parameter struktur selama prosedur desain. Gambar 3 menunjukkan efek perubahan ukuran struktur pada spektrum transmisi. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 3a, ketika panjang tongkang berlubang meningkat dari 290 ke 298 μm, frekuensi puncak spektrum transmisi mengalami pergeseran merah dari 0,48 THz. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 3b, ketika jarak tongkang berlubang meningkat dari 56 ke 64 μm, frekuensi puncak spektrum transmisi mengalami pergeseran biru dari 0,48 THz. Seiring bertambahnya L dan H, puncak resonansi mulai bergerak menuju frekuensi rendah dan tinggi, masing-masing. Ketika jari-jari lingkaran bervariasi dari 56 ke 64 μm dan ketebalan lembar stainless steel bervariasi dari 40 ke 60 μm, posisi puncak resonansi sedikit berubah. Oleh karena itu, lebih mudah untuk menyesuaikan frekuensi resonansi biosensor metamaterial dengan menyesuaikan panjang tongkang berlubang L dan jarak tongkang berlubang H.
Spektrum transmisi a panjang L yang berbeda, b jarak H, c jari-jari R, dan d ketebalan lembar stainless steel
Sangat penting juga untuk mempelajari pengaruh sudut insiden dan sudut polarisasi pada spektrum transmisi. Gelombang elektromagnetik incidente tegak lurus, dan kemudian sudut insiden dan polarisasi diubah. Definisi sudut-sudut ini ditampilkan pada Gambar 4a. Sudut insiden berarti θi pada bidang y–z, dan polarisasi adalah θp pada bidang x–y. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 4b, ketika sudut insiden berubah dari 0° ke 15°, perbedaan frekuensi puncak resonansi hanya 9 GHz. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 4c, ketika sudut polarisasi meningkat dari 0° ke 15°, perbedaan frekuensi puncak resonansi hampir 0 GHz, tetapi amplitudo puncak resonansi menurun sekitar 0,1. Ini menunjukkan bahwa biosensor hampir tidak sensitif terhadap perubahan sudut insiden dan polarisasi, yang bermanfaat untuk aplikasi biosensor praktis.
a Skema perubahan sudut insiden θi dan sudut polarisasi θp. Spektrum transmisi versus b sudut insiden dan c sudut polarisasi
Untuk mengeksplorasi performa penginderaan biosensor, lapisan tipis analit sebesar 120 μm ditambahkan ke biosensor metamaterial ini seperti yang ditampilkan pada Gambar 5a, kemudian spektrum transmisi yang berbeda dari biosensor metamaterial ini disimulasikan ketika indeks bias analit berubah seperti yang ditampilkan pada Gambar 5b. Sensitivitas indeks bias S didefinisikan sebagai rasio variasi posisi puncak transmisi terhadap satuan indeks bias (S = Δf/Δn). Seiring bertambahnya indeks bias analit, frekuensi puncak resonansi mengalami pergeseran merah. Kemudian, pergeseran frekuensi puncak resonansi yang sesuai dengan setiap indeks bias dikumpulkan. Linearitas yang baik diamati. Hasil pencocokan pada Gambar 5c menunjukkan bahwa sensitivitas terhadap indeks bias adalah 294,95 GHz/RIU.
a Tampilan penampang lintang dan tampilan atas diagram model biosensor metamaterial dengan lapisan tipis analit sebesar 120 μm. b Pengaruh perubahan indeks bias analit pada spektrum transmisi biosensor. c Pencocokan linier yang sesuai dari pergeseran frekuensi puncak dengan indeks bias yang sesuai
Performa penginderaan juga diukur menggunakan figure of merit (FOM), yang didefinisikan sebagai:
$${\text{FOM}} = \frac{S}{{{\text{FWHM}}}}$$ (1)
di mana S adalah sensitivitas dan FWHM adalah lebar pada setengah maksimum puncak resonansi. FOM biosensor ini adalah 4,03.
Untuk sebagian besar struktur metamaterial, mereka biasanya menggunakan bahan dielektrik sebagai substrat. Namun, biosensor metamaterial yang diusulkan dalam makalah ini didasarkan pada metamaterial logam murni dengan desain stainless steel murni dan udara digunakan sebagai substrat. Dibandingkan dengan bahan dielektrik tradisional, seperti polyethylene terephthalate (PET), kuarsa, dan silicone, udara memiliki indeks bias terendah. Untuk mengevaluasi peran substrat, biosensor metamaterial ini disimulasikan kembali menggunakan berbagai substrat, dan sensitivitas indeks bias serta nilai FOM kemudian dihitung. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 6, seiring bertambahnya indeks bias substrat, sensitivitas indeks bias dan FOM sensor mulai menurun. Hasil ini mengindikasikan bahwa biosensor dengan indeks bias substrat yang lebih rendah memiliki performa penginderaan yang lebih baik.
Sensitivitas dan FOM ketika berbagai substrat digunakan
Untuk meneliti lebih lanjut prinsip penginderaan biosensor, diagram distribusi medan listrik disimulasikan, seperti yang ditampilkan pada Gambar 7. Tampilan atas dan samping dari distribusi medan listrik yang disimulasikan menunjukkan bahwa energi medan listrik terutama terkonsentrasi pada sebagian lubang stainless steel. Oleh karena itu, sangat penting untuk memastikan bahwa analit ditambahkan ke dalam lubang.
Distribusi medan listrik simulasi. a Tampilan atas, b tampilan samping (y = 0 μm)
Tabel 1 merangkum sensitivitas indeks bias dan FOM sensor yang diusulkan, dan membandingkannya dengan studi lain yang telah dilaporkan [35,36,37]. Sensor THz lainnya semuanya didasarkan pada proses fotolitografi tradisional. Terlihat bahwa biosensor metamaterial stainless steel yang kami desain memiliki performa penginderaan yang luar biasa menggunakan teknologi laser-drilling yang murah.
Eksperimen
Bahan dan Persiapan Sampel
Kemudian, untuk menunjukkan kemampuan biosensing dari sensor metamaterial THz yang diusulkan, deteksi protein dilakukan dalam eksperimen. BSA dan PBS buffer kedua dibeli dari Sigma-Aldrich. Larutan BSA diformulasikan dalam PBS buffer (pH = 7,4).
Citra mikroskop dari biosensor metamaterial yang diproduksi ditampilkan pada Gambar 8. Ukuran keseluruhan biosensor metamaterial adalah 12 mm × 12 mm.
Mikrograf sampel biosensor yang diproduksi
Konsentrasi larutan BSA yang diformulasikan adalah 0,2 mg/mL, 0,5 mg/mL, 2,0 mg/mL, dan 4,0 mg/mL. Analit ditambahkan ke permukaan biosensor dengan metode penarikan cairan. Setiap kali, 150 μL larutan BSA dipindahkan ke permukaan biosensor dengan pipet, dan biosensor dikeringkan pada meja pemanas 40 ℃. Ketika biosensor dipanaskan pada 40 ℃, lapisan protein terbentuk lebih cepat dan lebih merata. Setiap kali sebelum mengubah konsentrasi larutan BSA yang berbeda, lembar stainless steel dimasukkan ke dalam air deion dan getar dalam penggetar ultrasonik untuk memastikan lapisan protein dari proses sebelumnya dibersihkan dan permukaan biosensor metamaterial ini bersih. Gambar 9 menunjukkan gambar dan citra mikroskop dari proses penambahan dan pengeringan protein. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 9a, lembar stainless steel bersih, dan kemudian seperti yang ditampilkan pada Gambar 9b, larutan BSA dengan satu konsentrasi ditambahkan ke permukaan lembar stainless steel, dan larutan tetap berada pada permukaan biosensor ini dan tidak melewati lubang karena efek tegangan permukaan air. Setelah pemanasan dan pengeringan, lapisan tipis film BSA terbentuk seperti yang ditampilkan pada Gambar 9c.
Gambar stainless steel dalam berbagai langkah pengujian: biosensor metamaterial setelah a pembersihan ultrasonik dan pengeringan, b penambahan 150 μL larutan BSA (0,2 mg/mL), dan c pengeringan; Foto mikroskop dari d sisi dan e permukaan lembar stainless steel sebelum penambahan BSA; Foto mikroskop dari f sisi dan g permukaan lembar stainless steel setelah penambahan dan pengeringan larutan BSA (0,2 mg/mL)
Untuk mengamati situasi di dalam lubang stainless steel, satu sisi lembar stainless steel dipotong, sehingga satu sisi lubang terungkap dan diamati dengan mikroskop. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 9d–g, ketika larutan BSA ditetapkan dan dikeringkan, lapisan tipis BSA ditambahkan ke dalam lubang stainless steel, yang terutama karena diameter lubang jauh lebih besar dari ukuran protein BSA. Ini membuktikan bahwa analit yang akan dideteksi dapat memasuki wilayah sensitif deteksi biosensor kami, yang dapat sangat meningkatkan sensitivitas biosensor metamaterial ini.
Pengukuran Spektral
Semua pengukuran spektral dilakukan menggunakan sistem spektroskopi THz gelombang kontinyu (TeraScan 1550, Toptica Photonics AG). Sistem terdiri dari elektronik pintas kontrol dual-laser (DLC), dua laser umpan balik terdistribusi (DFB), dua fotomixer InGaAs yang terhubung serat, dan empat cermin parabola off-axis 90° seperti yang ditampilkan pada Gambar 10. Gelombang THz dikolimasi dan difokuskan pada sampel melalui cermin parabola off-axis 90°. Semua spektrum transmisi diperoleh dengan memindai antara 50 dan 1220 GHz dengan ukuran langkah 40 MHz dengan waktu integrasi 10 ms yang beroperasi dalam mode pemindaian cepat untuk mengurangi waktu pemindaian. Polarisasi gelombang terahertz berada pada arah pembukaan cincin tongkang.
Skema spektrometer THz gelombang kontinyu yang digunakan dalam eksperimen kami
Hasil dan Pembahasan Eksperimen
Eksperimen deteksi protein biosensor metamaterial dilakukan dengan empat konsentrasi larutan BSA. Selama eksperimen, setiap kelompok larutan BSA ditambahkan secara berurutan dari rendah ke tinggi. Semua pengukuran diulang tiga kali.
Seperti yang ditampilkan pada Gambar 11a, seiring bertambahnya konsentrasi larutan BSA, frekuensi puncak resonansi mengalami pergeseran merah. Tren ini sesuai dengan hasil simulasi. Penurunan intensitas resonansi disebabkan oleh penyerapan gelombang THz oleh protein BSA.
a Spektrum yang diukur dengan berbagai konsentrasi BSA. b Pencocokan Hill dari eksperimen BSA
Hubungan antara pergeseran frekuensi dan konsentrasi larutan BSA tidak linier, yang umum dalam eksperimen biologis [38, 39]. Model Hill dapat mengkaitkan kemampuan ikatan antara biosensor metamaterial kami dan biomolekul. Oleh karena itu, model Hill [40] digunakan untuk mencocokkan data eksperimental, seperti yang ditampilkan pada Gambar 11b. Persamaan Hill dijelaskan sebagai berikut:
di mana pergeseran frekuensi puncak maksimum Δfmax adalah nilai saturasi, [BSA] adalah konsentrasi larutan BSA, n adalah koefisien Hill, dan KD adalah konstanta dissosiasi.
Menggunakan kurva pencocokan seperti yang ditampilkan pada Gambar 11b, koefisien Hill n dihitung sebesar 0,83, dan konstanta dissosiasi KD dihitung sebesar 2,87 mg/mL. Selain itu, Δfmax sekitar 166 GHz, yang mengindikasikan pergeseran frekuensi puncak maksimum pada konsentrasi saturasi. Hasil pencocokan puncak frekuensi resonansi Hill mengonfirmasi keandalan dan akurasi eksperimen.
Sensitivitas biosensor S diturunkan sebagai berikut [41]:
di mana MBSA = 66,430 g/mol adalah massa molekul yang diperkirakan BSA [42], NA = 6,02 × 1023 mol−1 adalah bilangan Avogadro, dan PBSA = 6,96 nm [43] adalah panjang rata-rata satu molekul BSA. δmax adalah 2,28 ng/mm2 dan sensitivitas deteksi BSA biosensor adalah 72,81 GHz/(ng/mm2).
KD yang diperoleh menggunakan model Hill menunjukkan bahwa konstanta dissosiasi sangat terkait dengan BSA, dan batas deteksi (LOD) Clim dari BSA dihitung menggunakan persamaan berikut [44]:
di mana Sf adalah resolusi spektral sebesar 2 GHz. Persamaan (5) menunjukkan bahwa konstanta dissosiasi yang lebih kecil menghasilkan batas deteksi yang lebih rendah. Oleh karena itu, Clim dihitung sebesar 0,035 mg/mL.
Tabel 2 menunjukkan performa penginderaan BSA biosensor kami dibandingkan dengan studi yang telah dilaporkan. Dalam eksperimen, konsentrasi terendah larutan BSA adalah 0,2 mg/mL dan perubahan frekuensi sebesar 10,8 GHz diperoleh. Dibandingkan dengan Refs. [45,46,47], perubahan frekuensi yang relatif lebih tinggi dicapai pada konsentrasi BSA yang sama. Rumus Hill diterapkan untuk menganalisis data biosensor metamaterial. LOD yang dihitung sebesar 0,035 mg/ml secara signifikan lebih baik daripada yang ada di Ref. [45]. Semua ini memprediksi bahwa biosensor metamaterial THz logam murni yang diusulkan kami akan memiliki performa luar biasa dalam banyak aplikasi biologis dan kimia.
Berdasarkan performa penginderaan yang luar biasa dari biosensor stainless steel, biosensor stainless steel dapat dimodifikasi dengan antibodi spesifik untuk mencapai deteksi antigen spesifik di masa depan. Dan ketebalan biosensor stainless steel hanya 50 μm. Dengan perkembangan teknologi mikrofluida dan spektroskopi terahertz, diharapkan dapat diterapkan pengukuran real-time in vivo di masa depan.
Kesimpulan
Secara kesimpulan, biosensor terahertz berdasarkan metamaterial logam murni digunakan untuk mengukur konsentrasi protein. Biosensor terbuat dari stainless steel dan diproduksi melalui teknologi laser-drilling. Sensitivitas indeks bias maksimum dan FOM yang dihitung menggunakan perangkat lunak simulasi elektromagnetik CST masing-masing adalah 294,95 GHz/RIU dan 4,03. Sampel dikarakterisasi menggunakan spektrometer THz gelombang kontinyu. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa, untuk larutan analit BSA, sensitivitas deteksi dan batas deteksi masing-masing adalah 72,81 GHz/(ng/mm2) dan 0,035 mg/mL. Biosensor ini memiliki keunggulan bentuk kecil, sensitivitas deteksi tinggi, batas deteksi rendah, dapat digunakan kembali, mudah diproduksi, dan hemat biaya. Hasil penelitian ini sangat signifikan untuk aplikasi masa depan dalam deteksi biomolekul dan diagnosis penyakit.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data sepenuhnya tersedia tanpa keterbatasan.
