Terahertz metasurface sensor with graphene microstrips for biosensing: Modeling and application
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0042182Ключові слова:
metasurface, graphene microstrips, biosensor, absorption spectrum, terahertz range, bovine serum albumin, numerical modelingАнотація
Дане дослідження методами чисельного моделювання присвячено розробці та оптимізації сенсора на основі метаповерхні з графеновими компонентами для потенційних застосувань в галузі біодетекції. Елементарна комірка запропонованої метаповерхні складається з тонкого гнучкого діелектричного шару підкладки з центрально розташованою графеновою мікросмужкою. За результатами чисельного моделювання спектральних властивостей метаповерхні за допомогою програмного забезпечення COMSOL Multiphysics у терагерцовому діапазоні від 5 до 35 ТГц виявлено максимуми спектру поглинання (резонансні моди) при f1 = 8,7 ТГц та f2 = 26,5 ТГц. Структурні параметри розробленої метаповерхні з графеновими мікросмужками були налаштовані для досягнення оптимальних резонансних властивостей. Наступні етапи дослідження демонструють, що розміщення шару рідкого зразка, що тестується [води або розчину бичачого сироваткового альбуміну (БСА)], на метаповерхні викликає низькочастотний зсув плазмонної резонансної моди f1, обраної для біосенсорних вимірювань. Цей зсув частоти, разом зі зміною амплітуди піку поглинання, демонструє чутливість до показника заломлення рідкого зразка. Резонансна поведінка розробленої структури метаповерхні визначається збудженням локалізованого плазмонного резонансу в графенових елементах та ефектом електромагнітного зв’язку ближнього поля між короткими краями графенових мікросмужок. Оцінка впливу матеріалу діелектричної підкладки на чутливість сенсора на основі метаповерхні до змін концентрації БСА показує, що підкладка Kapton забезпечує вищу ефективність порівняно з підкладкою з SiC. Отримані результати демонструють потенціал розробленого сенсора на основі метаповерхні з графеновими мікросмужками для застосування як сенсорної структури для визначення білків та інших біомолекул у рідких зразках.
Посилання
S. Ogawa, S. Fukushima, and M. Shimatani, Sensors 20, 3563 (2020). https://doi.org/10.3390/s20123563
F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, and A. C. Ferrari, Nature Photonics 4, 611 (2010). https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.186
J. H. Warner, F. Schaffel, M. Rummeli, and A. Bachmatiuk, Graphene: Fundamentals and Emergent Applications (Elsevier, Waltham, 2013), ISBN: 9780123945938.
U. Rajaji, R. Arumugam, S.-M. Chen, T.-W. Chen, T.-W. Tseng, and S. Chinnapaiyan, S.-Yi. Lee, and W.-H. Chang, Int. J. Electrochem. Sci. 13, 6643 (2018). https://doi.org/10.20964/2018.07.51
D. Rodrigo, O. Limaj, D. Janner, D. Etezadi, F. J. G. D. Abajo, V. Pruneri, and H. Altug, Science 349, 165 (2015). https://doi.org/10.1126/science.aab2051
T. G. Rappoport, I. Epstein, F. H. L. Koppens, and N. M. R. Peres, ACS Photonics 7, 2302 (2020).https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01002
R. N. Moman, N. Gupta, and M. A. Varacallo, Physiology, Albumin (StatPearls Publishing, Treasure Island, FL, 2022), PMID: 29083605, Bookshelf ID: NBK459198.
J. P. Nicholson, M. R. Wolmarans, and G. R. Park, British J. Anaesthesia 85, 599 (2000). https://doi.org/10.1093/bja/85.4.599
A. G. Markelz, IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics 14, 180 (2008). https://doi.org/10.1109/JSTQE.2007.913424
J. W. Bye, S. Meliga, D. Ferachou, G. Cinque, J. A. Zeitler, and R. J. Falconer, J. Phys. Chem. A 118, 83 (2014). https://doi.org/10.1021/jp407410g
K. S. Kuznetsova, V. A. Pashynska, and Z. E. Eremenko, Low Temp. Phys. 50, 15 (2024) [Fiz. Nyzk. Temp. 50, 18 (2024)]. https://doi.org/10.1063/10.0023885
K. S. Kuznetsova, Z. E. Eremenko, V. A. Pashynska, A. V. Martunov, and S. M. Kulish, and Yu. A. Voloshin, Biomed. Eng. Technol. 2, 97 (2023).https://doi.org/10.20535/2617-8974.2023.10.282202
Z. E. Eremenko, V. A. Pashynska, K. S. Kuznetsova, A. Shaposhnikova, and B. Minofar, J. Mol. Liq. 364, 119981 (2022). https://doi.org/10.1016/j.molliq.2022.119981
A. Andryieuski and A. V. Lavrinenko, Optics Express 21, 9144 (2013). https://doi.org/10.1364/OE.21.009144
M. Vatoor, S. S. Tabatabaee, and P. Shabani, Sensing and Bio-Sensing 47, 100776 (2025). https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2025.100776
D. Wolf, T. Schumacher, and M. Lippitz, Nat. Commun. 7, 10361 (2016). https://doi.org/10.1038/ncomms10361
F. J and G. de Abajo, ACS Photonics 1, 135 (2014). https://doi.org/10.1021/ph400147y
A. Yu. Nikitin, F. Guinea, F. J. García-Vidal, and L. Martín-Moreno, Phys. Rev. B 84, 161407(R) (2011). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.161407
O. A. Breslavets, Yuri N. Savin, and Z. E. Eremenko, Proc. Int. Conf.: MIKON-2022 (Wroclaw, Poland, 2022).
Yu. N. Savin, Z. E. Eremenko, and O. A. Breslavets, Functional Mater. 28, 1 (2021).https://doi.org/10.15407/fm28.04.751
R. J. Falconer and A. G. Markelz, Millimeter and Terahertz Waves 33, 973 (2012). https://doi.org/10.1007/s10762-012-9915-9
P. Upender and A. Kumar, IEEE Transactions on Plasma Science 51(10), 3258 (2023). https://doi.org/10.1109/TPS.2023.3314536
M. R. Nickpay, M. Danaie, and A. Shahzadi, Plasmonics 17(1), 237 (2022). https://doi.org/10.1007/s11468-021-01512-8
X. Hou, X. Chen, T. Li, Y. Li, Z. Tian, and M. Wang, Optical Materials Express 11, 2268 (2021). https://doi.org/10.1364/OME.431339
