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Design and simulation of a photonic crystal resonator as a biosensor for point-of-care applications

Design und Simulation eines photonischen Kristall (PC) Resonators für die Anwendung als Biosensor
 
: Zhao, Yixiong; Vora, Kunj Himanshu; Bögel, Gerd vom; Seidl, Karsten; Weidenmüller, Jens

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Technisches Messen : TM 87 (2020), Nr.7-8, S.470-476
ISSN: 0340-837X
ISSN: 0171-8096 (Print)
ISSN: 2196-7113 (Online)
Englisch
Zeitschriftenaufsatz
Fraunhofer IMS ()
mmWave sensor; Biosensor; photonic crystals; point of care (POC)

Abstract
Point-of-care (POC) devices are essential for rapid testing of samples for early diagnosis of diseases. The accuracy and the sensitivity of the POC device depend mainly on the biosensors. The currently used POC devices require specialized operating personnel, long sample preparation time and high equipment costs. We aim to explain a bio-sensing concept using a photonic crystal (PC) resonator that would mitigate the drawbacks of the present sensing techniques. Photonic crystals consist of spatially arranged dielectric materials presenting a band gap that prevents electromagnetic waves of certain frequency range to propagate through it. PC resonators have shown to have very high sensitivities for bio-sensing applications at THz frequencies. A PC resonator with a high Q-factor is designed and simulated to detect the changes in the surrounding dielectric permittivity. As an application for detecting specific biomolecules, a protocol for surface functionalization has been explained. This will enable the selective binding of biomolecules from the sample. Shift in resonant frequency and attenuation in magnitude at the peak resonant frequency can be observed from the simulation results. These changes in the resonator properties can be indicative of the presence of a particular biomolecule or pathogen and its concentration within the sample.

 

Point-of-Care (POC)-Geräte bekommen in der schnellen Früherkennung von Krankheiten eine immer größere Bedeutung. Die derzeit eingesetzten POC-Geräte erfordern jedoch spezialisiertes Bedienpersonal, lange Probenvorbereitungszeiten und hohe Gerätekosten sodass weitere Entwicklungsschritte notwendig sind. Die Genauigkeit und die Empfindlichkeit dieser Geräte hängen maßgeblich von den eingesetzten Biosensoren ab. Hier wird eine alternative Biosensormethode basierend auf einem photonischen Kristall (PC)-Resonator vorstellt, welche Vorteile gegenüber der bisherigen Messtechniken aufweist. Photonische Kristalle bestehen aus räumlich angeordneten dielektrischen Materialien, die eine Bandlücke haben, die es nicht zulässt, dass sich elektromagnetische Wellen bei bestimmten Frequenzen durch sie ausbreiten. PC-Resonatoren können mit sehr hohen Empfindlichkeiten für die Anwendung in der Biosensorik simuliert und entworfen werden. Diese angepassten PC-Resonatoren mit sehr Gütefaktoren messen die Veränderungen der dielektrischen Permittivität in der direkten Umgebung. Für die Erkennung der Biomoleküle ist die Oberfläche des PCs so vorbereitet, dass die Immobilisierung eines Biorezeptors ermöglicht wird, der selektiv an die in der Probe vorhandenen Biomoleküle bindet. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass es bei erfolgreicher Bindung an die Oberfläche zu einer Frequenzverschiebung und Dämpfung bei der Resonanzfrequenz kommt, was auf das Vorhandensein dieses Biomoleküls und seine Konzentration hinweist.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-572515.html