Al-Metaal Terahertz Metamateriaal Biosensor Bereikt Ultra-Hoge Gevoeligheid voor Proteïnedetectie

Methoden en simulatie

Vervolgens werd de driedimensionale volledige golf elektromagnetische veldsimulatie 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 matched layer werd gebruikt in de golffortplantingsrichting van z. Zoals getoond in de rechterbovenhoek van Fig. 1a, was de golfvector van het invalsend elektromagnetische veld k_z een vlakke golf die voortplant in de z-as, en de elektrische en magnetische velden waren gepolariseerd langs de y-as en x-as, respectievelijk. Zoals getoond in Fig. 1b, was er een transmissiepiek bij 0,48 THz.

Om het fysieke mechanisme van de generatie van deze resonantiepiek te bestuderen, werden de oppervlaktestroom en het magnetische veld van de biosensor bij de resonantiepiekfrequentie gesimuleerd. Zoals getoond aan de linkerkant van Fig. 2, waren de invalsende elektromagnetische golven gepolariseerd langs de y as, wat ladingssoscillaties induceerde aan beide uiteinden van de opening, resulterend in een elektrische dipool. De ladingssoscillaties werden vergezeld door tegenovergestelde draaiende stroomoscillaties langs de randen van de twee cirkelvormige gaten die de aperturen vormden. Dit leidde tot een paar tegenovergestelde out-of-plane magnetische dipolen. Zoals getoond aan de rechterkant van Fig. 2, was er een paar duidelijke tegenovergestelde magnetische dipolen in de z as die eind-op-eind waren verbonden om een toroidale dipool te vormen. Daarom werd de respons van het metamateriaal gedomineerd door een combinatie van elektrische en toroidale dipolen.

Omdat de prestaties van de sensor worden beïnvloed door de structurele parameters, is het noodzakelijk om de structurele parameters tijdens de ontwerpprocedure te optimaliseren. Figuur 3 toont het effect van structurele maatveranderingen op de transmissiespectra. Zoals getoond in Fig. 3a, toen de lengte van de holle halthal toenem van 290 tot 298 μm, roodverschoof de piekfrequentie van de transmissiespectra van 0,48 THz. Zoals getoond in Fig. 3b, toen de opening van de holle halthal toenem van 56 tot 64 μm, blauwverschoof de piekfrequentie van de transmissiespectra van 0,48 THz. Als L en H toenamen, begon de resonantiepiek te bewegen naar respectievelijk de lage en hoge frequentie. Toen de cirkelstraal varieerde van 56 tot 64 μm en de dikte van het roestvrij staal varieerde van 40 tot 60 μm, veranderde de positie van de resonantiepiek iets. Daarom is het gemakkelijker om de resonante frequentie van de metamateriaal biosensor aan te passen door de lengte van de holle halthal L en de opening van de holle halthal H aan te passen.

Het is ook erg belangrijk om de invloed van de invalshoek en de polarisatiehoek op de transmissiespectra te bestuderen. De elektromagnetische golf was loodrecht incident, en vervolgens werden de invalshoek en polarisatiehoek veranderd. De definitie van deze hoeken is getoond in Fig. 4a. De invalshoek betekent θ_i in het y–z vlak, en de polarisatie is θ_p in het x–y vlak. Zoals getoond in Fig. 4b, toen de invalshoek veranderde van 0° tot 15°, was het verschil van de resonantiepiekfrequentie slechts 9 GHz. Zoals getoond in Fig. 4c, toen de polarisatiehoek toenem van 0° tot 15°, was het verschil in resonantiepiekfrequentie bijna 0 GHz, maar de resonantiepiekamplitude daalde met ongeveer 0,1. Dit toonde aan dat de biosensor bijna ongevoelig was voor veranderingen in de invalshoek en polarisatiehoek, wat gunstig is voor praktische biosensor toepassingen.

Om de sensorische prestaties van de biosensor te verkennen, werd een 120-μm dunne laag analiet aan deze metamateriaal biosensor toegevoegd zoals getoond in Fig. 5a, daarna werden verschillende transmissiespectra van deze metamateriaal gesimuleerd toen de brekingsindex van het analiet veranderde zoals getoond in Fig. 5b. De RI-gevoeligheid S werd gedefinieerd als de verhouding van de variaties in de transmissiepiekpositie tot de RI-eenheid (S = Δf/Δn). Toen de RI van het analiet toenem, roodverschoof de resonantiepiekfrequentie. Vervolgens werd de resonantiepiekfrequentieverschuiving die correspondeert met elke RI verzameld. Goede lineariteit werd waargenomen. Het fitresultaat in Fig. 5c toont aan dat de gevoeligheid voor de RI 294,95 GHz/RIU was.

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

$${\text{FOM}} = \frac{S}{{{\text{FWHM}}}}$$ (1)

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

Voor de meeste metamateriaalstructuren gebruiken ze meestal diëlektrische materialen als substraten. Echter, deze metamateriaal biosensor voorgesteld in dit artikel was gebaseerd op een al-metaal metamateriaal met een al roestvrij staal ontwerp en werd lucht gebruikt als substraat. Vergeleken met traditionele diëlektrische materialen, zoals polyethyleentereftalaat (PET), kwarts, en silicium, heeft lucht de laagste RI. Om de rol van het substraat te evalueren, werden deze metamateriaal biosensors opnieuw gesimuleerd met verschillende substraten, en de brekingsindexgevoeligheden en FOM-waarden werden daarna berekend. Zoals getoond in Fig. 6, toen de RI van het substraat toenem, begonnen de RI-gevoeligheid en FOM van de sensor te dalen. Dit resultaat gaf aan dat de biosensor met een lagere substraat RI een betere sensorische prestatie had.

Om het sensorische principe van de biosensor verder te onderzoeken, werden de elektrische veldverdelingsdiagrammen gesimuleerd, zoals getoond in Fig. 7. De boven- en zijaanzichten van de gesimuleerde elektrische veldverdeling toonden aan dat de elektrische veldenergie voornamelijk geconcentreerd was in een deel van de roestvrij staal gaten. Daarom is het cruciaal om ervoor te zorgen dat het analiet in de gaten wordt toegevoegd.

Tabel 1 vat de voorgestelde sensor RI-gevoeligheid en FOM samen en vergelijkt ze met andere gerapporteerde studies [35,36,37]. De andere THz sensors zijn allemaal gebaseerd op traditionele fotolithografieprocessen. Het kan worden gezien dat de roestvrij staal metamateriaal biosensor die we ontwierpen een uitstekende sensorische prestatie had met goedkope laserboortechnologie.

Experiment

Materialen en monsterbereiding

Vervolgens, om de biosensing capaciteit van de voorgestelde THz metamateriaal sensor te demonstreren, werd proteïnedetectie uitgevoerd in het experiment. BSA en PBS-buffer werden allebei gekocht bij Sigma-Aldrich. De BSA-oplossing werd geformuleerd in PBS-buffer (pH = 7,4).

Een microscopische afbeelding van de gefabriceerde metamateriaal biosensor is getoond in Fig. 8. De totale grootte van de metamateriaal biosensor was 12 mm × 12 mm.

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. Het analiet werd aan het biosensoroppervlak toegevoegd via vloeistofdepositiemethode. Elke keer werd 150 μL BSA-oplossing overgebracht naar het biosensoroppervlak met een pipet, en de biosensor werd gedroogd op een 40 ℃ verwarmingstafel. Toen de biosensor werd verwarmd op 40 ℃, vormde het proteïnefilm sneller en uniformer. Elke keer voordat de concentratie van BSA-oplossing werd veranderd, werd het roestvrij staalblad in gedemineraliseerd water geplaatst en getrild in een ultrasoon triller om ervoor te zorgen dat het proteïnefilm van het vorige proces wordt gewist en het oppervlak van deze metamateriaal biosensor schoon is. Figuur 9 toonde de foto's en de microscopische foto's van het proces van toevoegen en drogen van het proteïne. Zoals getoond in Fig. 9a, was het roestvrij staalblad schoon, en vervolgens, zoals getoond in Fig. 9b, werd de BSA-oplossing van één concentratie toegevoegd aan het oppervlak van het roestvrij staalblad, en de oplossing bleef op dit biosensoroppervlak en ging niet door de gaten door het effect van wateroppervlaktespanning. Na verwarming en droging werd een dunne laag van het BSA-film gevormd zoals getoond in Fig. 9c.

Om de situatie binnen de gaten van het roestvrij staal te observeren, werd één kant van het roestvrij staal afgeknipt, zodat één kant van de gaten onthuld werd en met een microscoop geobserveerd kon worden. Zoals getoond in Fig. 9d–g, toen de BSA-oplossing werd gedropt en gedroogd, werd een dunne laag van BSA in de gaten van het roestvrij staal toegevoegd, wat voornamelijk is omdat de diameter van de gaten veel groter is dan de grootte van de BSA-proteïnen. Dit bewijst dat het te detecteren analiet de detectiegevoelige regio van onze biosensor kan binnengaan, wat de gevoeligheid van deze metamateriaal biosensor aanzienlijk kan verhogen.

Spectrale metingen

Alle spectrale metingen werden uitgevoerd met een continu-golf THz spectroscopiesysteem (TeraScan 1550, Toptica Photonics AG). Het systeem bestond uit dual-laser control (DLC) slimme elektronica, twee distributed feedback (DFB) lasers, twee vezelgekoppelde InGaAs fotomengers, en vier 90° off-axis parabolische spiegels zoals getoond in Fig. 10. THz-golven werden gecollimeerd en gefocust op het monster door de 90° off-axis parabolische spiegels. Alle transmissiespectra werden verkregen door te scannen tussen 50 en 1220 GHz in stappen van 40 MHz met een integratietijd van 10 ms opererend in de snelle scanmodus om de scantijd te reduceren. De polarisatie van de terahertz-golf was langs de openingrichting van de halthalring.

Experimentele resultaten en discussie

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

Zoals getoond in Fig. 11a, toen de concentratie van de BSA-oplossingen toenem, roodverschoof de resonantiepiekfrequentie. Deze trend is consistent met de simulatieresultaten. De afname in de intensiteit van de resonantie was te wijten aan de absorptie van de terahertz-golf door het BSA-proteïne.

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 de bindingscapaciteit tussen onze metamateriaal biosensor en biomoleculen karakteriseren. Daarom werd het Hill-model [40] gebruikt om de experimentele data te fitten, zoals getoond in Fig. 11b. De Hill-vergelijking wordt beschreven als volgt:

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

waarbij de maximale piekfrequentieverschuiving Δf_max de verzadigingswaarde is, [BSA] de concentratie van de BSA-oplossing, n de Hill-coëfficiënt, en K_D de dissociatieconstante.

Met behulp van de fitcurve zoals getoond in Fig. 11b, werd de Hill-coëfficiënt n berekend als 0,83, en de dissociatieconstante K_D werd berekend als 2,87 mg/mL. Verder was Δf_max ongeveer 166 GHz, wat de maximale piekfrequentieverschuiving bij de verzadigingsconcentratie aangeeft. De Hill-fitresultaten van de resonante frequentiepiek 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)

waarbij Δf_max 166 GHz is en δ_max de oppervlakte dichtheid van BSA is. δ_max werd bepaald door [41]:

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

waarbij M_BSA = 66.430 g/mol de geschatte moleculaire massa van BSA is [42], N_A = 6,02 × 10²³ mol⁻¹ het getal van Avogadro, en P_BSA = 6,96 nm [43] de gemiddelde lengte van één BSA-molecuul. δ_max was 2,28 ng/mm² en de BSA detectiegevoeligheid van de biosensor was 72,81 GHz/(ng/mm²).

K_D verkregen met het Hill-model toonde aan dat de dissociatieconstante sterk gerelateerd was aan BSA, en de detectielimiet (LOD) C_lim van BSA werd berekend met de volgende vergelijking [44]:

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

waarbij S_f de spectrale resolutie van 2 GHz is. Vergelijking (5) toont aan dat een kleinere dissociatieconstante resulteerde in een lagere detectielimiet. Dus werd C_lim berekend als 0,035 mg/mL.

Tabel 2 toont de BSA sensorische prestaties van onze biosensor vergeleken met die gerapporteerde studies. In het experiment was de laagste concentratie van de BSA-oplossing 0,2 mg/mL en een frequentieverandering van 10,8 GHz werd verkregen. Vergeleken met Refs. [45,46,47], werd een relatief hogere frequentieverandering bereikt bij dezelfde BSA-concentratie. De Hill-formule werd toegepast om de data van de metamateriaal biosensor te analyseren. De berekende LOD van 0,035 mg/mL was aanzienlijk beter dan die in Ref. [45]. Al deze voorspellen dat onze voorgestelde al-metaal THz metamateriaal biosensor uitstekende prestaties zal hebben in veel biologische en chemische toepassingen.

Gebaseerd op de uitstekende sensorische prestaties van de roestvrij staal biosensor, kan de roestvrij staal biosensor in de toekomst worden gemodificeerd met specifieke antilichamen om specifieke antigene detectie te bereiken. En de dikte van de roestvrij staal biosensor is slechts 50 μm. Met de ontwikkeling van microfluïdica technologie en terahertz spectroscopie, is het hoopvol om real-time meting in vivo in de toekomst toe te passen.

Conclusie

Concluderend, een terahertz biosensor gebaseerd op een al-metaal metamateriaal werd gebruikt om proteïneconcentraties te meten. De biosensor was gemaakt van roestvrij staal en bereid via laserboortechnologie. De maximale RI-gevoeligheid en FOM berekend met CST elektromagnetische simulatie software zijn respectievelijk 294,95 GHz/RIU en 4,03. Het monster werd gekarakteriseerd met een continu-golf THz spectrometer. De experimentele resultaten toonden aan dat, voor het BSA analiet, de detectiegevoeligheid en detectielimiet respectievelijk 72,81 GHz/(ng/mm²) en 0,035 mg/mL zijn. Deze biosensor heeft voordelen van kleine vorm, hoge detectiegevoeligheid, lage detectielimites, herbruikbaarheid, gemakkelijk te fabriceren en kosteneffectief. Deze onderzoeksresultaten zijn van aanzienlijk belang voor toekomstige toepassingen in biomoleculaire detectie en ziekte diagnostiek.