Geheel metalen terahertz metamateriaal biosensor voor eiwitdetectie

Methoden en simulatie

Vervolgens werd de driedimensionale simulatie van het elektromagnetische veld met volledige golf via de eindige-integraalmethode (Commerciële software CST) gebruikt voor de volgende simulaties. Periodieke randvoorwaarden werden toegepast in de x en y richtingen, en de perfect op elkaar afgestemde laag werd gebruikt in de golfvoortplantingsrichting van z . Zoals weergegeven in de rechterbovenhoek van figuur 1a, is de golfvector van het invallende elektromagnetische veld k _z was een vlakke golf die zich voortplantte in de z -as, en de elektrische en magnetische velden waren gepolariseerd langs de y -as en x -as, respectievelijk. Zoals weergegeven in figuur 1b, was er een transmissiepiek bij 0,48 THz.

Om het fysieke mechanisme van het genereren van deze resonantiepiek te bestuderen, werden de oppervlaktestroom en het magnetische veld van de biosensor bij de resonantiepiekfrequentie gesimuleerd. Zoals weergegeven aan de linkerkant van Fig. 2, waren de invallende elektromagnetische golven gepolariseerd langs de y as, waardoor ladingsoscillaties aan beide uiteinden van de opening worden veroorzaakt, wat resulteert in een elektrische dipool. De ladingsoscillaties gingen gepaard met tegengesteld draaiende stroomoscillaties langs de randen van de twee cirkelvormige gaten die de openingen vormden. Dit leidde tot een paar contra-georiënteerde out-of-plane magnetische dipolen. Zoals te zien is aan de rechterkant van Fig. 2, was er een paar duidelijk tegenovergestelde magnetische dipolen in de z as verbonden van begin tot eind om een ​​toroidale dipool te vormen. Daarom werd de reactie van het metamateriaal gedomineerd door een combinatie van elektrische en ringkerndipolen.

Gesimuleerd oppervlaktestroomverdelingsdiagram en magnetisch distributiediagram (y = 0 μm) bij 0,48 THz

Omdat de prestaties van de sensor worden beïnvloed door de structuurparameters, is het noodzakelijk om de structurele parameters tijdens de ontwerpprocedure te optimaliseren. Afbeelding 3 toont het effect van de structurele grootteveranderingen op de transmissiespectra. Zoals weergegeven in figuur 3a, toen de lengte van de holle halter toenam van 290 naar 298 μm, verschoof de piekfrequentie van de transmissiespectra rood van 0,48 THz. Zoals weergegeven in figuur 3b, toen de opening van de holle halter toenam van 56 naar 64 μm, verschoof de piekfrequentie van de transmissiespectra blauw van 0,48 THz. Als L en H Toen de resonantiepiek toenam, begon de resonantiepiek respectievelijk naar de lage frequentie en de hoge frequentie te bewegen. Wanneer de straal van de cirkel varieerde van 56 tot 64 m en de dikte van het roestvrij staal varieerde van 40 tot 60 m, veranderde de positie van de resonantiepiek enigszins. Daarom is het gemakkelijker om de resonantiefrequentie van de biosensor van het metamateriaal aan te passen door de lengte van de holle halter L aan te passen en de opening van de holle halter H.

Transmissiespectra van a verschillende lengte L , b tussenruimte H , c straal R , en d dikte roestvrijstalen plaat

Het is ook erg belangrijk om de invloed van de invalshoek en de polarisatiehoek op de transmissiespectra te bestuderen. De elektromagnetische golf viel verticaal in en vervolgens werden de invalshoeken en polarisatiehoeken veranderd. De definitie van deze hoeken is weergegeven in figuur 4a. De invalshoek betekent θ _ik in het y–z-vlak, en de polarisatie is θ _p in het x-y-vlak. Zoals weergegeven in figuur 4b, toen de invalshoek veranderde van 0° naar 15°, was het verschil in de frequentie van de resonantiepiek slechts 9 GHz. Zoals getoond in figuur 4c, toen de polarisatiehoek toenam van 0° tot 15°, was het verschil in resonantiepiekfrequentie bijna 0 GHz, maar de resonantiepiekamplitude nam af met ongeveer 0,1. Hieruit bleek dat de biosensor bijna ongevoelig was voor veranderingen in de invalshoek en polarisatiehoeken, wat gunstig is voor praktische biosensortoepassingen.

een Schematisch diagram van veranderende invalshoek θ _ik en polarisatiehoek θ _p . Transmissiespectra versus b de invalshoek en c de polarisatiehoek

Om de detectieprestaties van de biosensor te onderzoeken, werd een 120 μm dunne laag analyt toegevoegd aan deze metamateriaalbiosensor zoals weergegeven in figuur 5a, waarna verschillende transmissiespectra van deze metamateriaalbiosensor werden gesimuleerd toen de brekingsindex van de analyt veranderde zoals getoond in figuur 5b. De RI-gevoeligheid S werd gedefinieerd als de verhouding van de variaties in de transmissiepiekpositie tot de RI-eenheid (S = Δf /Δn ). Naarmate de RI van de analyt toenam, verschoof de resonantiepiekfrequentie naar rood. Vervolgens werd de frequentieverschuiving van de resonantiepiek die overeenkomt met elke RI verzameld. Er werd een goede lineariteit waargenomen. Het aanpasresultaat in figuur 5c laat zien dat de gevoeligheid voor de RI 294,95 GHz/RIU was.

een Dwarsdoorsnede en bovenaanzicht van het metamateriaal biosensormodeldiagram met een 120 m dunne laag analyt. b Invloed van de veranderingen in de RI van de analyt op de transmissiespectra van de biosensor. c Overeenkomstige lineaire aanpassing van de frequentieverschuiving van de piek met de corresponderende RI

De waarnemingsprestaties werden ook gekwantificeerd met behulp van de figuur van verdienste (FOM), die werd gedefinieerd als:

waar S is de gevoeligheid en FHWM is de volledige breedte op het halve maximum van de resonantiepiek. De FOM van deze biosensor was 4,03.

Voor de meeste metamateriaalstructuren gebruiken ze gewoonlijk diëlektrische materialen als substraten. Deze biosensor van metamateriaal die in dit artikel wordt voorgesteld, was echter gebaseerd op een volledig metalen metamateriaal met een volledig roestvrijstalen ontwerp en de lucht werd als substraat gebruikt. Vergeleken met traditionele diëlektrische materialen, zoals polyethyleentereftalaat (PET), kwarts en silicium, heeft de lucht de laagste RI. Om de rol van het substraat te evalueren, werden deze biosensoren van metamateriaal opnieuw gesimuleerd met verschillende substraten, en werden vervolgens de brekingsindexgevoeligheden en FOM-waarden berekend. Zoals te zien is in figuur 6, begonnen de RI-gevoeligheid en FOM van de sensor af te nemen naarmate de RI van het substraat toenam. Dit resultaat gaf aan dat de biosensor met een lagere substraat-RI een betere detectieprestatie had.

De gevoeligheden en FOM's bij gebruik van verschillende substraten

Om het detectieprincipe van de biosensor verder te onderzoeken, werden de elektrische velddistributiediagrammen gesimuleerd, zoals weergegeven in Fig. 7. De boven- en zijaanzichten van de gesimuleerde elektrische velddistributie toonden aan dat de elektrische veldenergie voornamelijk geconcentreerd was in een deel van de roestvrijstalen gaten. Daarom is het cruciaal om ervoor te zorgen dat de analyt in de gaatjes is toegevoegd.

Gesimuleerde elektrische veldverdelingen. een Bovenaanzicht, b zijaanzicht (y = 0 μm)

Tabel 1 vatte de RI-gevoeligheid en FOM van de voorgestelde sensor samen en vergeleek ze met andere gerapporteerde onderzoeken [35,36,37]. De andere THz-sensoren zijn allemaal gebaseerd op traditionele fotolithografische processen. Het is te zien dat de roestvrijstalen metamateriaal-biosensor die we hebben ontworpen uitstekende detectieprestaties had met behulp van goedkope laserboortechnologie.

Experiment

Materialen en monstervoorbereiding

Om vervolgens het biosensingvermogen van de voorgestelde THz-mmetamateriaalsensor aan te tonen, werd in het experiment eiwitdetectie uitgevoerd. BSA- en PBS-buffer werden beide gekocht bij Sigma-Aldrich. De BSA-oplossing werd geformuleerd in PBS-buffer (pH = 7.4).

Een microscoopbeeld van de gefabriceerde metamateriaal-biosensor wordt getoond in Fig. 8. De totale grootte van de metamateriaal-biosensor was 12 mm × 12 mm.

Microfoto van het gefabriceerde biosensormonster

De concentraties van de geformuleerde BSA-oplossing waren 0,2 mg/ml, 0,5 mg/ml, 2,0 mg/ml en 4,0 mg/ml. De analyt werd toegevoegd aan het oppervlak van de biosensor door middel van vloeibare depositiemethode. Elke keer werd 150 L BSA-oplossing overgebracht naar het oppervlak van de biosensor met een pipetpistool en werd de biosensor gedroogd op een verwarmingstafel van 40 ℃. Toen de biosensor werd verwarmd tot 40 ℃, vormde de eiwitfilm zich sneller en gelijkmatiger. Elke keer voordat verschillende concentraties BSA-oplossing werden gewijzigd, werd de roestvrijstalen plaat in gedeïoniseerd water geplaatst en in een ultrasone vibrator getrild om ervoor te zorgen dat de eiwitfilm van het vorige proces wordt verwijderd en het oppervlak van deze biosensor van mmetamateriaal schoon is. Figuur 9 toonde de foto's en de microscopiefoto's van het proces van het toevoegen en drogen van het eiwit. Zoals weergegeven in Fig. 9a, was de roestvrijstalen plaat schoon en vervolgens, zoals weergegeven in Fig. 9b, werd de BSA-oplossing van één concentratie toegevoegd aan het oppervlak van de roestvrijstalen plaat, en de oplossing bleef op het oppervlak van deze biosensor en niet passeren de gaten als gevolg van het effect van de oppervlaktespanning van het water. Na verwarmen en drogen werd een dunne laag van de BSA-film gevormd zoals weergegeven in Fig. 9c.

Foto's van het roestvrij staal in verschillende teststappen:de biosensor van metamateriaal na a ultrasoon reinigen en drogen, b toevoeging van 150 μL BSA-oplossing (0,2 mg/ml), en c drogen; Microscoopfoto's van de d . van de roestvrijstalen plaat zijwand en e oppervlak voordat u BSA toevoegt; Microscoopfoto's van de f . van de roestvrijstalen plaat zijwand en g oppervlak na het toevoegen en drogen van de BSA-oplossing (0,2 mg/ml)

Om de situatie in de gaten van het roestvrij staal te observeren, werd een kant van het roestvrij staal afgesneden, zodat een kant van de gaten werd onthuld en bekeken met een microscoop. Zoals getoond in Fig. 9d-g, toen de BSA-oplossing werd gedruppeld en gedroogd, werd een dunne laag van de BSA toegevoegd in de roestvrijstalen gaten, wat voornamelijk komt omdat de diameter van de gaten veel groter is dan de grootte van de BSA-eiwitten. Dit bewijst dat de te detecteren analyt het detectiegevoelige gebied van onze biosensor kan binnendringen, wat de gevoeligheid van deze metamateriaalbiosensor aanzienlijk kan verhogen.

Spectrale metingen

Alle spectrale metingen werden uitgevoerd met behulp van een continu-golf THz-spectroscopiesysteem (TeraScan 1550, Toptica Photonics AG). Het systeem bestond uit slimme elektronica met dubbele laserbesturing (DLC), twee lasers met gedistribueerde feedback (DFB), twee vezelgekoppelde InGaAs-fotomixers en vier parabolische spiegels van 90° buiten de as, zoals weergegeven in figuur 10. THz-golven werden gecollimeerd en gefocust op het monster door de parabolische spiegels van 90° buiten de as. Alle transmissiespectra werden verkregen door te scannen tussen 50 en 1220 GHz in stapgroottes van 40 MHz met een integratietijd van 10 ms in de snelle scanmodus om de scantijd te verminderen. De polarisatie van de terahertz-golf was langs de openingsrichting van de halterring.

Schematisch diagram van de THz-spectrometer met continue golf die in onze experimenten is gebruikt

Experimentresultaten en discussie

De eiwitdetectie-experimenten van de metamateriaal-biosensor werden uitgevoerd met vier concentraties van de BSA-oplossingen. Tijdens de experimenten werd elke groep BSA-oplossingen toegevoegd in volgorde van laag naar hoog. Alle metingen werden drie keer herhaald.

Zoals weergegeven in figuur 11a, verschoof de resonantiepiekfrequentie naar rood naarmate de concentratie van de BSA-oplossingen toenam. Deze trend is consistent met de simulatieresultaten. De afname van de intensiteit van de resonantie was te wijten aan de absorptie van de terahertz-golf door het BSA-eiwit.

een Gemeten spectra met verschillende BSA-concentraties. b Hill fit van het BSA-experiment

De relatie tussen de frequentieverschuiving en de concentratie van de BSA-oplossingen is niet lineair, wat gebruikelijk is in biologische experimenten [38, 39]. Het Hill-model kan het bindingsvermogen tussen onze metamateriaal-biosensor en biomoleculen karakteriseren. Daarom werd het Hill-model [40] gebruikt om de experimentele gegevens te passen, zoals weergegeven in figuur 11b. De Hill-vergelijking wordt als volgt beschreven:

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

waarbij de maximale piekfrequentieverschuiving Δf _max is de verzadigingswaarde, [BSA] is de concentratie van de BSA-oplossing, n is de Hill-coëfficiënt, en K _D is de dissociatieconstante.

Met behulp van de aanpassingscurve zoals weergegeven in Fig. 11b, wordt de Hill-coëfficiënt n werd berekend op 0,83, en de dissociatieconstante K _D werd berekend op 2,87 mg/ml. Bovendien, Δf _max was ongeveer 166 GHz, wat de maximale piekfrequentieverschuiving aangaf bij de verzadigingsconcentratie. De Hill-aanpassingsresultaten van de resonantiefrequentiepiek bevestigden de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van het experiment.

De gevoeligheid S van de biosensor werd als volgt afgeleid [41]:

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

waar Δf _max is 166 GHz en δ _max is de oppervlaktedichtheid van de BSA. δ _max werd bepaald door [41]:

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

waar M _BSA = 66.430 g/mol is de geschatte molecuulmassa van BSA [42], N _A = 6.02 × 10 ²³ mol ⁻¹ is het nummer van Avogadro, en P _BSA = 6,96 nm [43] is de gemiddelde lengte van één BSA-molecuul. δ _max was 2,28 ng/mm ² en de BSA-detectiegevoeligheid van de biosensor was 72,81 GHz/(ng/mm ² ).

K _D verkregen met het Hill-model toonde aan dat de dissociatieconstante sterk gerelateerd was aan de BSA en de detectielimiet (LOD) C _lim van het BSA werd berekend met behulp van de volgende vergelijking [44]:

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

waar S _f is de spectrale resolutie van 2 GHz. Uit vergelijking (5) blijkt dat een kleinere dissociatieconstante resulteerde in een lagere detectielimiet. Dus C _lim werd berekend op 0,035 mg/ml.

Tabel 2 toont de BSA-detectieprestaties van onze biosensor in vergelijking met de gerapporteerde onderzoeken. In het experiment was de laagste concentratie van de BSA-oplossing 0,2 mg/ml en werd een frequentieverandering van 10,8 GHz verkregen. Vergeleken met Ref. [45,46,47] werd een relatief hogere frequentieverandering bereikt bij dezelfde BSA-concentratie. De formule van Hill's werd toegepast om de gegevens van de metamateriaal-biosensor te analyseren. De berekende LOD van 0,035 mg/ml was significant beter dan die in Ref. [45]. Al deze voorspellen dat onze voorgestelde volledig metalen THz-metamateriaal-biosensor uitstekende prestaties zal leveren in veel biologische en chemische toepassingen.

Op basis van de uitstekende detectieprestaties van roestvrijstalen biosensor, kan de roestvrijstalen biosensor worden aangepast met specifiek antilichaam om in de toekomst specifieke antigeendetectie te bereiken. En de dikte van roestvrijstalen biosensor is slechts 50 m. Met de ontwikkeling van microfluïdische technologie en terahertz-spectroscopie is het hoopvol om in de toekomst real-time metingen in vivo toe te passen.

Conclusie

Concluderend werd een terahertz-biosensor op basis van een volledig metalen metamateriaal gebruikt om eiwitconcentraties te meten. De biosensor is gemaakt van roestvrij staal en geprepareerd via laser-boortechnologie. De maximale RI-gevoeligheid en FOM berekend met behulp van CST elektromagnetische simulatiesoftware zijn respectievelijk 294,95 GHz/RIU en 4,03. Het monster werd gekarakteriseerd met behulp van een THz-spectrometer met continue golf. De experimentele resultaten toonden aan dat voor de BSA-analytoplossing de detectiegevoeligheid en detectielimiet 72,81 GHz/(ng/mm ² zijn) ) en 0,035 mg/ml, respectievelijk. Deze biosensor heeft voordelen van kleine vorm, hoge detectiegevoeligheid, lage detectielimieten, herbruikbaarheid, eenvoudig te fabriceren en kosteneffectief. Deze onderzoeksresultaten zijn van groot belang voor toekomstige toepassingen in biomoleculaire detectie en ziektediagnose.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn onbeperkt beschikbaar.

Afkortingen

THz:

Terahertz

RI:

Brekingsindex

FOM:

Cijfer van verdienste

BSA:

Bovine serum albumine

HUISDIER:

Polyethyleentereftalaat

DLC:

Dubbele laserbesturing

DFB:

Gedistribueerde feedback

LOD:

Detectielimiet