Biosensor metamaterial terahertz semua-logam untuk deteksi protein

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 di x dan y arah, dan lapisan yang sangat cocok digunakan dalam arah perambatan gelombang z . Seperti yang ditunjukkan di sudut kanan atas Gambar 1a, vektor gelombang dari medan elektromagnetik yang datang k _z adalah gelombang bidang yang merambat di z -sumbu, dan medan listrik dan magnet terpolarisasi sepanjang y -sumbu dan x -sumbu, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, ada puncak transmisi pada 0,48 THz.

Untuk mempelajari mekanisme fisik dari pembangkitan puncak resonansi ini, arus permukaan biosensor dan medan magnet pada frekuensi puncak resonansi disimulasikan. Seperti yang ditunjukkan di sisi kiri Gambar 2, gelombang elektromagnetik yang datang terpolarisasi sepanjang y sumbu, menginduksi osilasi muatan di kedua ujung bukaan, menghasilkan dipol listrik. Osilasi muatan disertai dengan osilasi arus putar balik di sepanjang tepi dua lubang melingkar yang terdiri dari lubang. Hal ini menyebabkan sepasang dipol magnetik out-of-plane berorientasi kontra. Seperti yang ditunjukkan di sisi kanan Gbr. 2, ada sepasang dipol magnet yang berlawanan di z sumbu terhubung ujung ke ujung untuk membentuk dipol toroidal. Oleh karena itu, respons metamaterial didominasi oleh kombinasi dipol listrik dan toroidal.

Simulasi diagram distribusi arus permukaan dan diagram distribusi magnetik (y = 0 μm) pada 0,48 THz

Karena kinerja sensor dipengaruhi oleh parameter struktur, maka perlu untuk mengoptimalkan parameter struktural selama prosedur desain. Gambar 3 menunjukkan pengaruh perubahan ukuran struktural pada spektrum transmisi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, ketika panjang halter berongga meningkat dari 290 menjadi 298 μm, frekuensi puncak spektrum transmisi bergeser merah dari 0,48 Tz. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, ketika celah halter berongga meningkat dari 56 menjadi 64 μm, frekuensi puncak spektrum transmisi biru bergeser dari 0,48 Tz. Sebagai L dan H meningkat, puncak resonansi mulai bergerak menuju frekuensi rendah dan frekuensi tinggi, masing-masing. Ketika jari-jari lingkaran bervariasi dari 56 hingga 64 m dan ketebalan baja tahan karat bervariasi dari 40 hingga 60 m, posisi puncak resonansi sedikit berubah. Oleh karena itu, lebih mudah untuk menyesuaikan frekuensi resonansi biosensor metamaterial dengan menyesuaikan panjang dumbbell berongga L dan celah dari halter berongga H.

Spektrum transmisi a panjang yang berbeda L , b celah H , c radius R , dan d ketebalan pelat baja tahan karat

Juga sangat penting untuk mempelajari pengaruh sudut datang dan sudut polarisasi pada spektrum transmisi. Gelombang elektromagnetik datang secara vertikal, dan kemudian sudut datang dan polarisasi diubah. Definisi sudut-sudut ini ditunjukkan pada Gambar. 4a. Sudut datang berarti θ _i pada bidang y–z, dan polarisasinya adalah θ _p pada bidang x-y. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b, ketika sudut datang berubah dari 0° menjadi 15°, perbedaan frekuensi puncak resonansi hanya 9 GHz. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c, ketika sudut polarisasi meningkat dari 0 ° menjadi 15 °, perbedaan frekuensi puncak resonansi hampir 0 GHz, tetapi amplitudo puncak resonansi menurun sekitar 0,1. Hal ini menunjukkan bahwa biosensor hampir tidak sensitif terhadap perubahan dalam insiden dan sudut polarisasi, yang bermanfaat untuk aplikasi biosensor praktis.

a Diagram skema perubahan sudut datang θ _i dan sudut polarisasi θ _p . Spektrum transmisi versus b sudut datang dan c sudut polarisasi

Untuk mengeksplorasi kinerja penginderaan biosensor, lapisan tipis analit 120 m ditambahkan ke biosensor metamaterial ini seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, kemudian spektrum transmisi yang berbeda dari biosensor metamaterial ini disimulasikan ketika indeks bias analit berubah seperti yang ditunjukkan pada Gambar . 5b. Sensitivitas RI S didefinisikan sebagai rasio variasi posisi puncak transmisi terhadap unit RI (S = Δf /Δn ). Saat RI analit meningkat, frekuensi puncak resonansi bergeser merah. Kemudian pergeseran frekuensi puncak resonansi yang sesuai dengan masing-masing RI dikumpulkan. Linearitas yang baik diamati. Hasil pemasangan pada Gbr. 5c menunjukkan bahwa sensitivitas terhadap RI adalah 294,95 GHz/RIU.

a Tampilan penampang dan tampilan atas diagram model biosensor metamaterial dengan lapisan analit tipis 120 m. b Pengaruh perubahan RI analit pada spektrum transmisi biosensor. c Kesesuaian linier yang sesuai dari pergeseran frekuensi puncak dengan RI yang sesuai

Performa penginderaan juga diukur menggunakan figure of merit (FOM), yang didefinisikan sebagai:

dimana S adalah sensitivitas dan FHWM adalah lebar penuh 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 semua logam dengan desain baja tahan karat dan udara digunakan sebagai substrat. Dibandingkan dengan bahan dielektrik tradisional, seperti polietilen tereftalat (PET), kuarsa, dan silikon, udara memiliki RI terendah. Untuk mengevaluasi peran substrat, biosensor metamaterial ini disimulasikan lagi menggunakan substrat yang berbeda, dan sensitivitas indeks bias dan nilai FOM dihitung kemudian. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, saat RI substrat meningkat, sensitivitas RI dan FOM sensor mulai menurun. Hasil ini menunjukkan bahwa biosensor dengan RI substrat yang lebih rendah memiliki kinerja penginderaan yang lebih baik.

Sensitivitas dan FOM ketika substrat yang berbeda digunakan

Untuk menyelidiki lebih lanjut prinsip penginderaan biosensor, diagram distribusi medan listrik disimulasikan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Tampilan atas dan samping dari simulasi distribusi medan listrik menunjukkan bahwa energi medan listrik terutama terkonsentrasi di bagian baja tahan karat lubang. Oleh karena itu, sangat penting untuk memastikan bahwa analit ditambahkan ke dalam lubang.

Distribusi medan listrik simulasi. a Tampilan atas, b tampak samping (y = 0 μm)

Tabel 1 merangkum sensitivitas RI dan FOM sensor yang diusulkan, dan membandingkannya dengan penelitian lain yang dilaporkan [35,36,37]. Sensor THz lainnya semuanya didasarkan pada proses fotolitografi tradisional. Dapat dilihat bahwa biosensor metamaterial baja tahan karat yang kami rancang memiliki kinerja penginderaan yang sangat baik menggunakan teknologi pengeboran laser yang murah.

Eksperimen

Persiapan bahan dan sampel

Kemudian untuk menunjukkan kemampuan biosensing dari sensor mmetamaterial THz yang diusulkan, deteksi protein dilakukan dalam percobaan. Buffer BSA dan PBS keduanya dibeli dari Sigma-Aldrich. Solusi BSA diformulasikan dalam buffer PBS (pH = 7.4).

Gambar mikroskop dari biosensor metamaterial fabrikasi ditunjukkan pada Gambar. 8. Ukuran keseluruhan biosensor metamaterial adalah 12 mm × 12 mm.

Mikrograf sampel biosensor buatan

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 deposisi cair. Setiap kali, 150 L larutan BSA dipindahkan ke permukaan biosensor dengan pistol pipet, dan biosensor dikeringkan di atas meja pemanas 40 . Ketika biosensor dipanaskan pada suhu 40 , film protein terbentuk lebih cepat dan lebih seragam. Setiap kali sebelum mengubah konsentrasi larutan BSA yang berbeda, lembaran baja tahan karat dimasukkan ke dalam air deionisasi dan digetarkan dalam vibrator ultrasonik untuk memastikan bahwa lapisan protein dari proses sebelumnya dibersihkan dan permukaan biosensor mmetamaterial ini bersih. Gambar 9 menunjukkan gambar dan gambar mikroskopik proses penambahan dan pengeringan protein. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar.9a, lembaran baja tahan karat bersih, dan kemudian seperti yang ditunjukkan pada Gambar.9b, larutan BSA satu konsentrasi ditambahkan ke permukaan lembaran baja tahan karat, dan larutan tetap berada di permukaan biosensor ini dan tidak melewati lubang karena efek tegangan permukaan air. Setelah pemanasan dan pengeringan, lapisan tipis film BSA terbentuk seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9c.

Gambar baja tahan karat dalam berbagai langkah pengujian:biosensor metamaterial setelah a pembersihan dan pengeringan ultrasonik, b menambahkan 150 L larutan BSA (0,2 mg/mL), dan c pengeringan; Foto mikroskop dari d . lembaran baja tahan karat dinding samping dan e permukaan sebelum menambahkan BSA; Foto mikroskop dari f . lembaran baja tahan karat dinding samping dan g permukaan setelah menambahkan dan mengeringkan larutan BSA (0,2 mg/mL)

Untuk mengamati keadaan di dalam lubang baja tahan karat, satu sisi baja tahan karat dipotong, sehingga satu sisi lubang terungkap dan diamati dengan mikroskop. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9d–g, ketika larutan BSA diteteskan dan dikeringkan, lapisan tipis BSA ditambahkan ke dalam lubang baja tahan karat, terutama karena diameter lubang jauh lebih besar daripada ukuran lubang baja tahan karat. protein BSA. Ini membuktikan bahwa analit yang akan dideteksi dapat memasuki daerah sensitif pendeteksian biosensor kami, yang dapat sangat meningkatkan sensitivitas biosensor metamaterial ini.

Pengukuran spektral

Semua pengukuran spektral dilakukan menggunakan sistem spektroskopi THz gelombang kontinu (TeraScan 1550, Toptica Photonics AG). Sistem ini terdiri dari elektronik cerdas kontrol laser ganda (DLC), dua laser umpan balik terdistribusi (DFB), dua photomixer InGaAs yang digabungkan dengan serat, dan empat cermin parabola 90° off-axis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10. Gelombang THz dikolimasi dan difokuskan pada sampel melalui cermin parabola 90° off-axis. Semua spektrum transmisi diperoleh dengan memindai antara 50 dan 1220 GHz dalam ukuran langkah 40 MHz dengan waktu integrasi 10 md yang beroperasi dalam mode pemindaian cepat untuk mengurangi waktu pemindaian. Polarisasi gelombang terahertz berada di sepanjang arah pembukaan cincin halter.

Diagram skema spektrometer THz gelombang kontinu yang digunakan dalam eksperimen kami

Hasil eksperimen dan diskusi

Eksperimen deteksi protein biosensor metamaterial dilakukan dengan empat konsentrasi larutan BSA. Sepanjang percobaan, setiap kelompok larutan BSA ditambahkan secara berurutan dari rendah ke tinggi. Semua pengukuran diulang tiga kali.

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11a, saat konsentrasi larutan BSA meningkat, frekuensi puncak resonansi bergeser merah. Tren ini sesuai dengan hasil simulasi. Penurunan intensitas resonansi disebabkan oleh penyerapan gelombang terahertz oleh protein BSA.

a Spektrum terukur dengan konsentrasi BSA yang berbeda. b Hill fit dari eksperimen BSA

Hubungan antara pergeseran frekuensi dan konsentrasi larutan BSA tidak linier, yang umum dalam eksperimen biologis [38, 39]. Model Hill dapat mengkarakterisasi kemampuan pengikatan antara biosensor metamaterial dan biomolekul kami. Oleh karena itu, model Hill [40] digunakan agar sesuai dengan data eksperimen, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11b. Persamaan Hill digambarkan sebagai berikut:

$$\Delta f =\Delta f_{{\max }} \cdot \frac{{[{\text{BSA}}]^{n} }}{{\left\{ {K_{{\text{D }}} + [{\text{BSA}}]^{n} } \right\}}}$$ (2)

dimana pergeseran frekuensi puncak maksimum Δf _maks adalah nilai saturasi, [BSA] adalah konsentrasi larutan BSA, n adalah koefisien Bukit, dan K _D adalah konstanta disosiasi.

Menggunakan kurva pas seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11b, koefisien Hill n dihitung menjadi 0,83, dan konstanta disosiasi K _D dihitung menjadi 2,87 mg/mL. Selanjutnya, f _maks adalah sekitar 166 GHz, yang menunjukkan pergeseran frekuensi puncak maksimum pada konsentrasi saturasi. Hasil pemasangan Hill dari puncak frekuensi resonansi mengkonfirmasi keandalan dan akurasi eksperimen.

Sensitivitas biosensor S disimpulkan sebagai berikut [41]:

$$S =\frac{{\Delta f_{{\max }} }}{{\delta _{{\max }} }}$$ (3)

dimana f _maks adalah 166 GHz dan δ _maks adalah kerapatan permukaan BSA. δ _maks ditentukan oleh [41]:

$$\delta _{{\max }} =\frac{{M_{{{\text{BSA}}}} }}{{N_{{\text{A}}} \times P_{{{\text {BSA}}}}^{2} }}$$ (4)

dimana M _BSA = 66,430 g/mol adalah perkiraan massa molekul BSA [42], N _A = 6.02 × 10 ²³ mol ⁻¹ adalah bilangan Avogadro, dan P _BSA = 6,96 nm [43] adalah panjang rata-rata satu molekul BSA. δ _maks adalah 2,28 ng/mm ² dan sensitivitas deteksi BSA biosensor adalah 72,81 GHz/(ng/mm ² ).

K _D diperoleh dengan menggunakan model Hill menunjukkan bahwa konstanta disosiasi sangat terkait dengan BSA, dan batas deteksi (LOD) C _lim dari BSA dihitung menggunakan persamaan berikut [44]:

$$C_{{\lim }} =K_{{\text{D}}} \times \frac{{S_{{\text{f}}} }}{{\Delta f_{{\max }} - S_{{\text{f}}} }}$$ (5)

dimana S _f adalah resolusi spektral 2 GHz. Persamaan (5) menunjukkan bahwa konstanta disosiasi yang lebih kecil menghasilkan batas deteksi yang lebih rendah. Jadi, C _lim dihitung menjadi 0,035 mg/mL.

Tabel 2 menunjukkan kinerja penginderaan BSA biosensor kami dibandingkan dengan studi yang dilaporkan. Dalam percobaan, konsentrasi terendah larutan BSA adalah 0,2 mg/mL dan diperoleh perubahan frekuensi 10,8 GHz. Dibandingkan dengan Ref. [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 di Ref. [45]. Semua ini memprediksi bahwa biosensor metamaterial THz semua-logam yang kami usulkan akan memiliki kinerja yang sangat baik dalam banyak aplikasi biologi dan kimia.

Berdasarkan kinerja penginderaan yang sangat baik 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 m. Dengan perkembangan teknologi mikofluida dan spektroskopi terahertz, diharapkan dapat menerapkan pengukuran in vivo secara real-time di masa mendatang.

Kesimpulan

Sebagai kesimpulan, biosensor terahertz berdasarkan metamaterial semua logam digunakan untuk mengukur konsentrasi protein. Biosensor terbuat dari baja tahan karat dan disiapkan melalui teknologi pengeboran laser. Sensitivitas RI dan FOM maksimum yang dihitung menggunakan perangkat lunak simulasi elektromagnetik CST masing-masing adalah 294,95 GHz/RIU dan 4,03. Sampel dikarakterisasi menggunakan spektrometer THz gelombang kontinu. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa, untuk larutan analit BSA, sensitivitas deteksi dan batas deteksi adalah 72,81 GHz/(ng/mm ² ) dan 0,035 mg/mL, masing-masing. Biosensor ini memiliki keunggulan bentuk kecil, sensitivitas deteksi tinggi, batas deteksi rendah, dapat digunakan kembali, mudah dibuat dan hemat biaya. Hasil penelitian ini sangat penting untuk aplikasi masa depan dalam deteksi biomolekuler dan diagnosis penyakit.

Ketersediaan data dan materi

Semua data tersedia sepenuhnya tanpa batasan.

Singkatan

THz:

Terahertz

RI:

Indeks bias

FOM:

Sosok jasa

BSA:

Albumin serum sapi

PET:

Polietilen tereftalat

DLC:

Kontrol laser ganda

DFB:

Umpan balik terdistribusi

LOD:

Batas deteksi

Efek Energi Akumulasi pada Pembentukan Nanopartikel pada Dewetting Laser Berdenyut pada Film Tipis AgCu Merencanakan Dosis Hipertermia Nanopartikel Cs0.33WO3 Teriradiasi NIR untuk Sel Kanker Hepatik HepG2