단백질 검출을 위한 전체 금속 테라헤르츠 메타물질 바이오센서

방법 및 시뮬레이션

그런 다음 유한 적분 방법(상업 소프트웨어 CST)을 통한 3차원 전파 전자기장 시뮬레이션을 다음 시뮬레이션에 사용했습니다. 주기적인 경계 조건은 x에 적용되었습니다. 그리고 y 방향, 그리고 z의 파동 전파 방향으로 완벽하게 일치하는 레이어를 사용했습니다. . 그림 1a의 오른쪽 상단 모서리에서 볼 수 있듯이 입사 전자기장의 파동 벡터 k _z z로 전파되는 평면파였습니다. -축 및 전기장 및 자기장은 y를 따라 분극되었습니다. -축 및 x -축, 각각. 그림 1b에서 볼 수 있듯이 0.48THz에서 전송 피크가 있었습니다.

이 공명 피크 생성의 물리적 메커니즘을 연구하기 위해 공명 피크 주파수에서 바이오센서의 표면 전류와 자기장을 시뮬레이션했습니다. 그림 2의 왼쪽과 같이 입사 전자파는 y 축, 개구부의 양쪽 끝에서 전하 진동을 유도하여 전기 쌍극자를 생성합니다. 전하 진동은 구멍을 구성하는 두 개의 원형 구멍의 테두리를 따라 역회전하는 전류 진동을 동반했습니다. 이로 인해 한 쌍의 반대 방향의 평면 외 자기 쌍극자가 발생했습니다. 그림 2의 오른쪽에서 볼 수 있듯이 z 축은 끝에서 끝으로 연결되어 환상 쌍극자를 형성합니다. 따라서 메타물질의 반응은 전기 쌍극자와 환상 쌍극자의 조합에 의해 지배되었습니다.

0.48THz에서 시뮬레이션된 표면 전류 분포 다이어그램 및 자기 분포 다이어그램(y =0 μm)

센서의 성능은 구조 매개변수에 의해 영향을 받기 때문에 설계 과정에서 구조 매개변수를 최적화해야 합니다. 그림 3은 구조적 크기 변화가 투과 스펙트럼에 미치는 영향을 보여줍니다. 그림 3a와 같이 속이 빈 덤벨의 길이가 290에서 298μm로 증가했을 때 투과 스펙트럼의 피크 주파수는 0.48THz에서 적색으로 이동했습니다. 그림 3b에서 볼 수 있듯이 속이 빈 덤벨의 간격이 56μm에서 64μm로 증가했을 때 투과 스펙트럼의 피크 주파수는 0.48THz에서 파란색으로 이동했습니다. L로 그리고 H 증가할수록 공진 피크는 각각 저주파와 고주파로 이동하기 시작했습니다. 원의 반경이 56~64μm로 다양하고 스테인리스강의 두께가 40~60μm로 다양할 때 공명 피크의 위치가 약간 변경되었습니다. 따라서 중공 덤벨 L의 길이를 조절하여 메타물질 바이오센서의 공진주파수 조절이 용이하다. 그리고 속이 빈 덤벨의 틈 H.

a의 투과 스펙트럼 다른 길이 L , b 간격 H , ㄷ 반경 R , 및 d 스테인리스 강판 두께

입사각과 편광각이 투과 스펙트럼에 미치는 영향을 연구하는 것도 매우 중요합니다. 전자파를 수직으로 입사시킨 후 입사각과 편광각을 변화시켰다. 이러한 각도의 정의는 그림 4a에 나와 있습니다. 입사각은 θ를 의미합니다. _나 y–z 평면에서 편광은 θ입니다. _p x-y 평면에서. 그림 4b와 같이 입사각이 0°에서 15°로 변경되었을 때 공진 피크의 주파수 차이는 9GHz에 불과했습니다. 그림 4c와 같이 편광각이 0°에서 15°로 증가했을 때 공진 피크 주파수의 차이는 거의 0GHz였으나 공진 피크 진폭은 약 0.1만큼 감소하였다. 이는 바이오센서가 입사각과 편광각의 변화에 ​​거의 둔감하지 않음을 보여주었으며, 이는 실제 바이오센서 응용에 유리합니다.

아 입사각 θ 변화의 개략도 _나 및 편광각 θ _p . 투과 스펙트럼 대 b 입사각 및 c 편광 각도

바이오센서의 감지 성능을 탐색하기 위해 그림 5a와 같이 이 메타물질 바이오센서에 120μm의 얇은 분석 물질을 추가한 다음 그림 5a와 같이 분석 물질의 굴절률이 변할 때 이 메타물질 바이오센서의 다른 투과 스펙트럼을 시뮬레이션했습니다. . 5b. RI 감도 S RI 단위(S =Δf /Δn ). 분석물의 RI가 증가함에 따라 공명 피크 주파수가 적색으로 이동했습니다. 그런 다음 각 RI에 해당하는 공명 피크 주파수 편이를 수집했습니다. 좋은 선형성이 관찰되었습니다. 그림 5c의 피팅 결과는 RI에 대한 감도가 294.95GHz/RIU임을 보여줍니다.

아 분석물의 120μm 얇은 층을 가진 메타물질 바이오센서 모델 다이어그램의 단면도 및 평면도. ㄴ 바이오센서의 투과 스펙트럼에 대한 분석물의 RI 변화의 영향. ㄷ 해당 RI와 피크 주파수 편이의 해당 선형 맞춤

감지 성능은 다음과 같이 정의된 성능 지수(FOM)를 사용하여 정량화되었습니다.

여기서 S 는 감도이고 FHWM은 공진 피크의 최대 절반에서 전체 너비입니다. 이 바이오센서의 FOM은 4.03이었습니다.

대부분의 메타 물질 구조의 경우 일반적으로 유전체 물질을 기판으로 사용합니다. 그러나 본 논문에서 제안한 이 메타물질 바이오센서는 전체가 스테인리스 스틸로 설계된 전체 금속 메타물질을 기반으로 하며 기판으로 공기를 사용하였다. 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 석영 및 실리콘과 같은 기존의 유전체 재료와 비교할 때 공기는 RI가 가장 낮습니다. 기질의 역할을 평가하기 위해 이러한 메타물질 바이오센서를 다른 기질을 사용하여 다시 시뮬레이션하고 굴절률 감도와 FOM 값을 후속적으로 계산했습니다. 그림 6과 같이 기판의 RI가 증가함에 따라 센서의 RI 감도와 FOM이 감소하기 시작했습니다. 이 결과는 기질 RI가 낮은 바이오센서가 더 나은 감지 성능을 가짐을 나타냅니다.

서로 다른 기질을 사용할 때의 감도 및 FOM

바이오센서의 감지 원리를 더 조사하기 위해 그림 7과 같이 전기장 분포도를 시뮬레이션했습니다. 시뮬레이션된 전기장 분포의 평면도와 측면도는 전기장 에너지가 주로 스테인리스강 부분에 집중되어 있음을 보여주었습니다. 구멍. 따라서 분석 물질이 구멍에 추가되었는지 확인하는 것이 중요합니다.

시뮬레이션된 전기장 분포. 아 평면도, b 측면도(y =0 μm)

Table 1은 제안된 센서의 RI 민감도와 FOM을 요약하여 보고된 다른 연구들과 비교하였다[35,36,37]. 다른 THz 센서는 모두 전통적인 포토리소그래피 공정을 기반으로 합니다. 우리가 설계한 스테인리스 스틸 메타물질 바이오센서는 저렴한 레이저 드릴링 기술을 사용하여 우수한 감지 성능을 가짐을 알 수 있습니다.

실험

자료 및 샘플 준비

그런 다음 제안된 THz mmmetamaterial 센서의 바이오 센싱 능력을 입증하기 위해 실험에서 단백질 검출을 수행하였다. BSA 및 PBS 버퍼는 모두 Sigma-Aldrich에서 구입했습니다. BSA 용액은 PBS 완충액(pH =7.4)에서 제형화되었습니다.

제작된 메타물질 바이오센서의 현미경 이미지는 그림 8과 같다. 메타물질 바이오센서의 전체 크기는 12mm × 12mm이다.

<그림>

제작된 바이오센서 샘플의 현미경 사진

제형화된 BSA 용액의 농도는 0.2 mg/mL, 0.5 mg/mL, 2.0 mg/mL 및 4.0 mg/mL였습니다. 분석물은 액체 증착 방법에 의해 바이오센서 표면에 추가되었습니다. 매번 150 μL BSA 용액을 피펫 건으로 바이오센서 표면으로 옮기고 바이오센서를 40℃ 히팅 테이블에서 건조시켰다. 바이오센서를 40℃로 가열하면 단백질막이 더 빠르고 균일하게 형성되었다. BSA 용액의 다른 농도를 변경하기 전에 매번 스테인레스 스틸 시트를 탈이온수에 넣고 초음파 진동기에서 진동시켜 이전 공정의 단백질 필름이 깨끗해지고 이 mmetamaterial 바이오 센서의 표면이 깨끗한지 확인했습니다. 그림 9는 단백질을 첨가하고 건조하는 과정의 사진과 현미경 사진을 보여주었다. 그림 9a에서 보는 바와 같이 스테인리스 강판은 깨끗하고, 그림 9b에서 보는 바와 같이 스테인리스 강판 표면에 한 농도의 BSA 용액을 첨가하면 용액이 이 바이오센서 표면에 머물렀다. 물 표면 장력의 영향으로 구멍을 통과합니다. 가열 및 건조 후 그림 9c와 같이 BSA 필름의 얇은 층이 형성되었습니다.

<그림>

다양한 테스트 단계의 스테인리스 스틸 사진:a 이후의 메타물질 바이오센서 초음파 세척 및 건조, b 150μL BSA 용액(0.2mg/mL) 추가 및 c 건조; 스테인레스 스틸 시트의 d 현미경 사진 측벽 및 e BSA를 추가하기 전에 표면; 스테인리스 강판의 f 현미경 사진 측벽 및 g BSA 용액(0.2 mg/mL)을 추가 및 건조 후 표면

스테인리스 스틸의 구멍 내부 상황을 관찰하기 위해 스테인리스 스틸의 한 면을 잘라내어 구멍의 한 면을 드러내서 현미경으로 관찰했다. 그림 9d-g와 같이 BSA 용액을 적하하여 건조할 때 스테인리스강의 구멍에 BSA의 얇은 층이 추가되는데, 이는 주로 구멍의 직경이 구멍의 크기보다 훨씬 크기 때문입니다. BSA 단백질. 이것은 검출될 분석물이 우리 바이오센서의 검출 민감 영역에 들어갈 수 있음을 증명하며, 이는 이 메타물질 바이오센서의 감도를 크게 증가시킬 수 있습니다.

스펙트럼 측정

모든 스펙트럼 측정은 연속파 THz 분광기 시스템(TeraScan 1550, Toptica Photonics AG)을 사용하여 수행되었습니다. 이 시스템은 그림 10과 같이 이중 레이저 제어(DLC) 스마트 전자 장치, 2개의 분산 피드백(DFB) 레이저, 2개의 섬유 결합 InGaAs 포토믹서 및 4개의 90° 축외 포물선 거울로 구성되어 있습니다. 90° 축외 포물선 거울을 통해 샘플에 초점을 맞춥니다. 모든 전송 스펙트럼은 스캔 시간을 줄이기 위해 빠른 스캔 모드에서 작동하는 10ms의 통합 시간으로 40MHz의 단계 크기로 50~1220GHz를 스캔하여 얻었습니다. 테라헤르츠파의 편극은 덤벨링이 열리는 방향을 따라 있었습니다.

<그림>

실험에 사용된 연속파 THz 분광계의 개략도

실험 결과 및 토론

메타물질 바이오센서의 단백질 검출 실험은 4가지 농도의 BSA 용액으로 수행하였다. 실험 전반에 걸쳐 BSA 용액의 각 그룹은 낮은 것에서 높은 순서로 추가되었습니다. 모든 측정은 세 번 반복되었습니다.

그림 11a와 같이 BSA 용액의 농도가 증가함에 따라 공명 피크 주파수가 적색으로 이동하였다. 이 경향은 시뮬레이션 결과와 일치합니다. 공명 세기의 감소는 BSA 단백질에 의한 테라헤르츠파의 흡수 때문입니다.

<그림>

아 다양한 BSA 농도로 측정된 스펙트럼. ㄴ BSA 실험의 힐 핏

주파수 이동과 BSA 용액의 농도 사이의 관계는 선형이 아니며 생물학적 실험에서 흔히 볼 수 있습니다[38, 39]. Hill 모델은 메타물질 바이오센서와 생체분자 간의 결합 능력을 특성화할 수 있습니다. 따라서 그림 11b와 같이 Hill 모델[40]을 사용하여 실험 데이터를 피팅했습니다. Hill 방정식은 다음과 같이 설명됩니다.

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

여기서 최대 피크 주파수 편이 Δf _최대 는 포화 값, [BSA]는 BSA 용액의 농도, n 는 힐 계수, K _D 해리 상수입니다.

그림 11b와 같이 피팅 곡선을 사용하여 힐 계수 n 0.83으로 계산되었고 해리 상수 K _D 2.87mg/mL로 계산되었습니다. 또한 Δf _최대 포화 농도에서 최대 피크 주파수 편이를 나타내는 약 166GHz였습니다. 공진 주파수 피크의 힐 피팅 결과는 실험의 신뢰성과 정확도를 확인했습니다.

바이오센서의 감도 S는 다음과 같이 추론되었다[41]:

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

여기서 Δf _최대 166GHz 및 δ _최대 는 BSA의 표면 밀도입니다. δ _최대 [41]에 의해 결정됨:

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

여기서 M _BSA =66,430g/mol은 BSA의 추정 분자량[42], N _A =6.02 × 10 ²³ 몰 ⁻¹ 는 아보가드로 수이고 P _BSA =6.96nm[43]은 한 BSA 분자의 평균 길이입니다. δ _최대 2.28ng/mm ² 였습니다. 바이오센서의 BSA 감지 감도는 72.81GHz/(ng/mm ² ) ).

케이 _D Hill 모델을 사용하여 얻은 결과는 해리 상수가 BSA 및 검출 한계(LOD) C와 밀접한 관련이 있음을 보여주었습니다. _림 BSA의 값은 다음 방정식[44]을 사용하여 계산되었습니다.

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

여기서 S _f 2GHz의 스펙트럼 분해능입니다. 식 (5)는 해리 상수가 작을수록 검출 한계가 낮아짐을 보여줍니다. 따라서 C _림 0.035mg/mL로 계산되었습니다.

표 2는 보고된 연구와 비교한 우리 바이오센서의 BSA 감지 성능을 보여줍니다. 실험에서 BSA 용액의 최저 농도는 0.2mg/mL이었고 10.8GHz의 주파수 변화를 얻었다. Refs와 비교. [45,46,47], 동일한 BSA 농도에서 상대적으로 더 높은 주파수 변화가 달성되었습니다. 메타물질 바이오센서의 데이터를 분석하기 위해 Hill의 공식을 적용하였다. 0.035mg/ml의 계산된 LOD는 Ref. [45]. 이 모든 것은 우리가 제안한 완전 금속 THz 메타물질 바이오센서가 많은 생물학적 및 화학적 응용 분야에서 우수한 성능을 보일 것이라고 예측합니다.

스테인레스 스틸 바이오 센서의 우수한 감지 성능을 기반으로 스테인레스 스틸 바이오 센서는 미래에 특정 항원 검출을 달성하기 위해 특정 항체로 변형 될 수 있습니다. 그리고 스테인리스 스틸 바이오센서의 두께는 50μm에 불과합니다. 미세유체 기술과 테라헤르츠 분광기의 발전으로 향후 생체내 실시간 측정이 적용되기를 희망합니다.

결론

결론적으로 전금속 메타물질 기반의 테라헤르츠 바이오센서를 이용하여 단백질 농도를 측정하였다. 바이오센서는 스테인리스강으로 만들어졌으며 레이저 드릴링 기술을 통해 준비되었습니다. CST 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 계산된 최대 RI 감도 및 FOM은 각각 294.95GHz/RIU 및 4.03입니다. 연속파 THz 분광계를 사용하여 샘플을 특성화했습니다. 실험 결과에 따르면 BSA 분석 용액의 경우 검출 감도 및 검출 한계가 72.81GHz/(ng/mm ² ) 및 0.035mg/mL입니다. 이 바이오 센서는 작은 모양, 높은 검출 감도, 낮은 검출 한계, 재사용성, 제조하기 쉽고 비용 효율적이라는 장점이 있습니다. 이러한 연구 결과는 향후 생체 분자 검출 및 질병 진단에 적용하는 데 상당한 의미가 있습니다.

데이터 및 자료의 가용성

모든 데이터는 제한 없이 완전히 사용할 수 있습니다.

약어

테라헤르츠:

테라헤르츠

RI:

굴절률

FOM:

실적

BSA:

소 혈청 알부민

PET:

폴리에틸렌 테레프탈레이트

DLC:

이중 레이저 제어

DFB:

분산된 피드백

LOD:

감지 한계

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