Всеметаллический терагерцовый метаматериальный биосенсор с ультравысокой чувствительностью для детекции белков

Аннотация

В работе теоретически исследован и экспериментально верифицирован терагерцовый (THz) биосенсор на базе всеметаллического метаматериала. Сенсор изготавливали из нержавеющей стали методом лазерного сверления. Моделирование показало максимальную чувствительность к показателю преломления 294,95 ГГц/RIU и качество (FOM) 4,03. Для оценки эффективности использовали сывороточный альбумин грызуна (BSA). Эксперимент дал чувствительность детекции 72,81 ГГц/(нг/мм²) и предел обнаружения 0,035 мг/мл. Сенсор прост, дешев, легко изготавливается и перспективен для биосенсорики.

Введение

Врачи берут сыворотку пациентов для диагностики: онкомаркеров, вирусов. Первичный метод обнаружения опухолей — детекция белков, так как они входят в состав многих онкомаркеров и содержат богатую информацию. Сывороточные альбумины составляют 52–62% всех водорастворимых белков плазмы крови и выполняют важные питание и физиологические функции. BSA — один из самых популярных сывороточных альбуминов, широко используемый в исследованиях. Существующие методы детекции BSA (электрохимический импеданс, капиллярный электрофорез, рассеяние света) имеют недостатки: сложность, плохая воспроизводительность, длительность. Разработка новых биосенсоров актуальна.

THz-волны лежат между микроволнами и ИК-излучением. Энергия фотонов в этом диапазоне очень низка, поэтому THz-излучение не вызывает ионизирующего повреждения биомолекул. Многие биомакромолекулы имеют уникальные «отпечатки пальцев» в THz-диапазоне, что привлекает внимание к THz-биосенсорике.

Метаматериалы — искусственные электромагнитные материалы из субдлинноволновых структур. Их уникальный резонанс дает отрицательный показатель преломления, электромагнитную прозрачность, экстремальную чувствительность к окружению. Метаматериалы, чувствительные к среде, особенно из субдлинноволновых металлических структур, широко применяют для детекции биомолекул. Сочетание THz-волн и метаматериалов дает новый метод безмаркерного детектирования с высоким разрешением, малым объемом анализа и без реагентов.

При THz-частотах метаматериалы обычно делают микронной литографией (фотолитографией или электронно-лучевой), затем мокрым или сухим травлением. Это требует дорогого оборудования, чистых комнат, сложных процедур. Лазерное сверление — первая практическая лазерная технология обработки. Фокусировка луча дает пятно микронного размера и плотность мощности 10⁵–10¹⁵ Вт/см², позволяя обрабатывать почти любой материал. По нашему знанию, это первое применение лазерного сверления для изготовления метаматериальных биосенсоров, что существенно снижает стоимость и способствует практическому внедрению.

Предложен высокочувствительный THz-биосенсор для детекции белков на всеметаллическом метаматериале, смоделирован и экспериментально демонстрирован. Устройство простое, дешевое, стабильное. Состоит из нержавеющей стали, изготовлено лазерным сверлением. Сначала сенсор смоделировали методом конечных интегралов (CST), рассчитали чувствительность к показателю преломления. Затем изготовили и измерили. Эксперименты подтвердили высокую чувствительность к внешней среде. BSA использован как тестовый аналит. Данные аппроксимировали уравнением Хилла. Получены чувствительность 72,81 ГГц/(нг/мм²) и предел обнаружения 0,035 мг/мл. Измерения повторяли трижды для проверки надежности.

Конструкция

Рис. 1a: структура предложенного всеметаллического THz-биосенсора. На пластине нержавеющей стали толщиной 50 мкм (проводимость 1,4×10⁶ С/м) лазерным сверлением образован периодический массив полых «гантелей» по осям x и y. Периоды P_x=500 мкм, P_y=300 мкм. Длина гантели L=294 мкм, зазор H=60 мкм, радиус круговых концов R=60 мкм. Сенсор полностью металлический, без диэлектрической подложки. THz-волна падает перпендикулярно поверхности.

Моделирование (CST, метод конечных интегралов): периодические граничные условия по x, y; идеально согласованный слой по z. Нападающая плоская волна распространяется по z, поля E и H поляризованы по y и x. Рис. 1b: пик прохождения на 0,48 THz.

Методы и моделирование

Изучен физический механизм резонанса. Рис. 2 (слева): падающая волна поляризована по y, индуцирует зарядовые колебания на краях отверстий — электрический диполь. Колебания заряда сопровождаются встречными токами по краям двух круговых апертур — пара встречных внеплоскостных магнитных диполей. Рис. 2 (справа): пара явных противоположных магнитных диполей по оси z, соединенных концами, образуеттороидальный диполь. Ответ метаматериала доминирует комбинация электрического итороидального диполей.

Оптимизация геометрических параметров. Рис. 3: влияние размеров на спектры прохождения. Увеличение L с 290 до 298 мкм — красный сдвиг пика. Увеличение H с 56 до 64 мкм — синий сдвиг. Изменение R (56–64 мкм) и толщины стали (40–60 мкм) незначительно сдвигает пик. Удобнее настраивать резонанс через L и H.

Изучено влияние угла падения и поляризации. Рис. 4a: схема углов. При изменении угла падения 0–15° сдвиг пика всего 9 ГГц. При изменении угла поляризации 0–15° сдвиг ~0 ГГц, амплитуда падает ~0,1. Сенсор практически нечувствителен к углам — плюс для практического применения.

Оценка сенсорных свойств. Добавлен слой аналита толщиной 120 мкм (рис. 5a). Моделированы спектры при изменении показателя преломления аналита (рис. 5b). Чувствительность S = Δf/Δn. С ростом показателя преломления пик красного сдвигается. Линейная зависимость (рис. 5c): чувствительность 294,95 ГГц/RIU.

Качество (FOM) = S / FWHM, где FWHM — ширина пика на полувысоте. FOM = 4,03.

Роль подложи: традиционные метаматериалы используют диэлектрики (PET, кварц, кремний). Наш сенсор — всеметаллический, подложка — воздух (наименьший показатель преломления). Моделирование с разными подложками (рис. 6): с ростом показателя преломления подложки чувствительность и FOM падают. Низкий показатель преломления подложки улучшает сенсорные свойства.

Принцип сенсирования: моделирование распределения электрического поля (рис. 7). Энергия поля концентрируется в отверстиях стали. Критично, чтобы аналит попадал в отверстия.

Таблица 1: сравнение с другими работами. Наш стальной метаматериальный биосенсор показывает отличные характеристики при дешевом лазерном сверлении.

Эксперимент

Материалы и подготовка образцов

BSA и фосфатно-буферный раствор (PBS, pH 7,4) — Sigma-Aldrich. Растворы BSA в PBS: 0,2; 0,5; 2,0; 4,0 мг/мл.

Микрофото изготовленного сенсора (рис. 8): общий размер 12×12 мм.

Метод капли: 150 мкл раствора BSA переносили пипеткой на поверхность сенсора, сушили на нагреве 40 °C — белковая пленка образуется быстрее и равномернее. Перед сменой концентрации сталь очищали в деионизированной воде в ультразвуковой ванне. Рис. 9: процесс капания и сушки. Раствор держится на поверхности из-за поверхностного натяжения, не проходит сквозь отверстия. После сушки образуется тонкая пленка BSA.

Для наблюдения внутри отверстий одну сторону стали срезали. Рис. 9d–g: после капания и сушки тонкий слой BSA виден внутри отверстий (диаметр отверстий >> размеров белка). Это доказывает, что аналит попадает в чувствительную зону детекции, повышая чувствительность.

Спектральные измерения

Измерения на непрерывноволновой THz-спектроскопической системе (TeraScan 1550, Toptica Photonics AG): два DFB-лазера, два волоконно-сопряженных фотомиксера InGaAs, четыре параболических зеркала 90°. THz-волна коллимируется и фокусируется на образец. Спектры снимали в диапазоне 50–1220 ГГц шагом 40 МГц, интеграция 10 мс, быстрый режим. Поляризация THz-волны — вдоль направления раскрытия гантели.

Результаты эксперимента и обсуждение

Эксперименты с четырьмя концентрациями BSA, каждая группа измерялась трижды. Рис. 11a: с ростом концентрации резонансный пик красного сдвигается, согласуясь с моделированием. Падение интенсивности — из-за поглощения THz-волны белком BSA.

Зависимость сдвига частоты от концентрации нелинейна (типично для биоэкспериментов). Модель Хилла описывает связывание биосенсора с биомолекулами. Уравнение Хилла: Δf = Δf_max · [BSA]ⁿ / (K_D + [BSA]ⁿ), где Δf_max — насыщение, n — коэффициент Хилла, K_D — константа диссоциации.

Аппроксимация (рис. 11b): n = 0,83, K_D = 2,87 мг/мл, Δf_max ≈ 166 ГГц. Результаты подтверждают надежность.

Чувствительность S = Δf_max / δ_max, где δ_max — поверхностная плотность BSA. δ_max = M_BSA / (N_A × P_BSA²). M_BSA = 66 430 г/моль, N_A = 6,02×10²³ моль⁻¹, P_BSA = 6,96 нм. δ_max = 2,28 нг/мм². Чувствительность = 72,81 ГГц/(нг/мм²).

Предел обнаружения (LOD) C_lim = K_D × S_f / (Δf_max − S_f), где S_f = 2 ГГц (спектральное разрешение). C_lim = 0,035 мг/мл.

Таблица 2: сравнение с литературой. При наименьшей концентрации 0,2 мг/мл получен сдвиг 10,8 ГГц — выше, чем в реф. [45–47]. LOD 0,035 мг/мл значительно лучше [45]. Предсказывается отличная производительность в био- и химических приложениях.

Перспективы: модификация антителами для специфического детектирования антигенов. Толщина 50 мкм. С развитием микролидравлики и THz-спектроскопии возможны in vivo измерения в реальном времени.

Заключение

THz-биосенсор на всеметаллическом метаматериале из нержавеющей стали, изготовленный лазерным сверлением, использован для измерения концентрации белков. Моделирование (CST): макс. чувствительность к показателю преломления 294,95 ГГц/RIU, FOM 4,03. Эксперимент (непрерывноволновая THz-спектроскопия): для BSA чувствительность 72,81 ГГц/(нг/мм²), LOD 0,035 мг/мл. Преимущества: компактность, высокая чувствительность, низкий LOD, повторное использование, простота и дешевизна изготовления. Результаты значимы для биомолекулярной детекции и диагностики заболеваний.