Optimization of the metal-dielectric metasurface unit cell for sensitivity enhancement in determination of IgG concentration in solutions

Анотація

Дослідження зосереджено на розробці металодіелектричної сенсорної структури з оптимізованою геометрією елементарної комірки для визначення концентрації імуноглобуліну G (IgG) у водних розчинах. Стаття поєднує як експериментальні, так і теоретичні результати, які отримано з використанням методу диференціальної мікрохвильової діелектрометрії та чисельного моделювання за допомогою програмного забезпечення COMSOL. Залежність значень комплексної діелектричної проникності (КДП) водних розчинів IgG від концентрації білка було експериментально отримано в мікрохвильовому діапазоні випромінювання за допомогою мікрохвильової діелектрометричної установки, яка була розроблена нашою групою. Показано, що підвищення концентрації IgG призводить до зниження значень КДП досліджуваних розчинів. Експериментально отримані дані КДП для водних розчинів IgG були використані як основа для чисельного моделювання мікрохвильової елементарної комірки металодіелектричної метаповерхні. Металодіелектрична метаповерхня (що складається з двох шарів тефлону та плоских мідних мікрорезонаторів) була об’єднана зі стандартним 96-лунковим мікропланшетом, який використовується в клінічних лабораторіях. Оптимізація отриманої елементарної комірки метаповерхні показала, що розмір та положення мідних мікрорезонаторів у елементарній комірці значно впливають на чутливість сенсорної платформи для визначення концентрації IgG. Метаповерхня, що містить в елементарній комірці чотири мідні мікрорезонатори, забезпечила найбільш чутливу платформу для виявлення коливань рівня IgG у зразку. Частотний зсув коефіцієнта відбиття прямо пов’язаний зі змінами концентрації білка, які відбуваються внаслідок зниження значень КДП водно-білкового розчину при підвищенні концентрації білка. Для ефективного визначення концентрації IgG у водних розчинах було розроблено калібрувальний графік та оцінено чутливість конструкції сенсора.