Numerical modeling of metal-dielectric metasurface as an element of microwave sensors for biomedical applications

Анотація

Представлено результати чисельного моделювання поведінки коефіцієнта відбиття хвилі від металодіелек-тричної метаповерхні у мікрохвильовому діапазоні частот, що може бути використано для біомедичних застосувань. Дослідження містить оптимізацію робочих параметрів структури на основі метаповерхні як чутливого елемента мікрохвильових сенсорних систем для визначення концентрації білків у різних розчинах. У поточному дослідженні комірка із геометрією, подібною до геометрії однієї лунки стандартного 96-лункового лабораторного мікропланшета, використовується як елементарна комірка резонансної метаповерхні та як структура, що утримує рідину. В модельному дослідженні як зразок білка використовується сироватковий альбумін людини (САЛ). Це чисельне моделювання базується на результатах наших попередніх експериментальних вимірювань значень комплексної діелектричної проникності водних розчинів САЛ та його біохімічних реакційних сумішей за допомогою методу мікрохвильової діелектрометрії та розробленого пристрою. Чисельне моделювання виконано за допомогою програмного забезпечення COMSOL Multiphysics. Оптимізація робочих параметрів структури металодіелектричної метаповерхні з досліджуваними розчинами дозволяє спостерігати резонанс коефіцієнта відбиття хвилі в мікрохвильовому діапазоні частот. За зсувом резонансної частоти коефіцієнта відбиття хвилі металодіелектричної метаповерхні можна визначити зміни концентрації САЛ у водних розчинах і ферментативних реакційних сумішах. Розроблена структура на основі металодіелектричної метаповерхні демонструє перспективність використання як чутливого елемента мікрохвильових сенсорів для визначення концентрації білків у біомедичних цілях.