Analyse numérique d’un capteur biosensoriel avec canal ouvert de forme rectangulaire, incorporé avec TiO2-Au-MXene pour le diagnostic des tumeurs cérébrales

Contexte académique et énoncé du problème

Ces dernières années, le développement de biosenseurs rentables et fiables est devenu un sujet de recherche en vogue. Ces capteurs visent à détecter des concentrations très faibles d’analytes, couvrent une large gamme de technologies, et sont utilisés pour surveiller et détecter les cellules et liquides. Les cristaux photoniques (photonic crystals, PHCs) et les fibres à cristal photonique (photonic crystal fibers, PCFs) ont rapidement occupé une place privilégiée dans la technologie des capteurs grâce à leur taille compacte, leur résistance aux interférences électromagnétiques, leur faible besoin en analytes, leur conception structurelle flexible et leur intégration facile.

Notamment, les capteurs biosensoriques basés sur la résonance plasmonique de surface (surface plasmon resonance, SPR) ont montré des performances exceptionnelles. Le phénomène SPR, combinant des fibres optiques et des métaux précieux, peut considérablement augmenter la sensibilité de détection, surtout dans le domaine biomédical. Bien que des progrès significatifs aient été réalisés ces dernières années dans les capteurs PCF basés sur la SPR, avec des développements dans la détection de cellules cancéreuses, d’hémoglobine, de protéines et du paludisme, les recherches restent limitées en ce qui concerne la distinction entre les tissus cérébraux sains et pathologiques. Le manque de recherche sur le développement et la mise à l’essai de capteurs aux capacités de détection exceptionnelles limite le progrès dans l’analyse des tissus cérébraux et le diagnostic des maladies cérébrales.

C’est dans ce contexte que cet article propose un capteur biosensoriel PCF avec canal ouvert de forme rectangulaire incorporé avec des couches de TiO2-Au-MXene pour la détection précise et la distinction des tissus cérébraux sains et tumoraux.

Source de l’article

Cet article est publié dans l’IEEE Sensors Journal, Vol 24, No 10, le 15 mai 2024. Il est coécrit par Shivam Singh, Bhargavi Chaudhary, Rajeev Kumar, Anurag Upadhyay et Santosh Kumar, affiliés respectivement à ABES Engineering College, Indian Institute of Technology Delhi, Graphic Era (Deemed to be University), Rajkiya Engineering College Azamgarh et Koneru Lakshmaiah Education Foundation en Inde.

Détails de recherche

Processus de recherche

1. Conception et description géométrique du capteur : L’étude a conçu un nouveau capteur PCF avec un micro-canal rectangulaire recouvert de couches d’or, utilisant une configuration en losange des trous d’air pour obtenir une structure à gravure unilatérale. Deux grands trous d’air de diamètre 2,35 μm sont placés verticalement dans le cœur à côté de quatre petits trous d’air de diamètre 1,15 μm. Des trous d’air de taille moyenne, disposés en hexagone, avec un diamètre de 1,35 μm et un pas de 2,15 μm, décorent le cœur. Un canal ouvert rectangulaire est incrusté dans le plan supérieur du cœur, avec une largeur de 3,5 μm et une hauteur verticale de 2,55 μm par rapport au centre du cœur.

2. Indice de réfraction des matériaux : Les matériaux constituant le capteur incluent le SiO2, TiO2, Au et Ti3C2Tx-MXene, chacun ayant une expression spécifique de leur indice de réfraction. Par exemple, l’indice de réfraction du SiO2 suit l’équation de Sellmeier, tandis que ceux du TiO2 et de l’or sont donnés par des modèles spécifiques.

3. Faisabilité de la fabrication du capteur : Les méthodes de fabrication d’un tel capteur PCF incluent la gravure sélective et les techniques de revêtement localisé. Une structure PCF circulaire est formée par empilage et dessin, des canaux ouverts rectangulaires sont réalisés par découpe laser femtoseconde ou fraisage par faisceau d’ions focalisé, le revêtement d’or est appliqué par dépôt de couches atomiques (ALD) ou dépôt chimique en phase vapeur (CVD), et des couches de MXene sont obtenues par exfoliation en phase liquide ou techniques de superposition, puis appliquées sur un substrat d’or.

4. Indicateurs d’évaluation des performances : L’évaluation numérique des performances du capteur inclut la perte de confinement modal (ξcf), la sensibilité en longueur d’onde (Sw), la résolution de détection (Rs) et le facteur de mérite (FOM). Ces paramètres peuvent être obtenus via les courbes caractéristiques SPR, où ξcf est calculée à partir de la partie imaginaire de l’indice de réfraction effectif, Sw est déterminée par la variation de la longueur d’onde de résonance avec l’indice de réfraction de l’analyte, Rs mesure la capacité du capteur à détecter les variations d’indice de réfraction de l’analyte, et FOM combine sensibilité et résolution pour mesurer la performance du capteur.

Processus expérimental et résultats principaux

Le cœur de cette étude réside dans la conception du capteur PCF permettant le couplage d’énergie entre le mode de cœur et le mode de polaritons plasmoniques de surface (SPP) à l’interface MXene-analyte, par le phénomène SPR, générant des pics de perte de confinement marqués à une longueur d’onde de résonance spécifique. Grâce à la simulation numérique et l’analyse, les performances du capteur dans la détection de différents types de tumeurs cérébrales ont été étudiées, révélant les résultats principaux suivants:

1. Distribution du champ électrique et couplage modal : La simulation a vérifié la distribution du champ électrique, montrant que l’intensité du champ électrique est beaucoup plus forte dans le mode de cœur que dans le mode SPP durant la propagation. Le mode SPP concentre la majorité de son énergie à la région de l’interface métal-dialectrique. Le mode de résonance amène la phase des modes de cœur et SPP en synchronisation à la longueur d’onde de résonance, maximisant ainsi la perte de confinement modal à cette longueur d’onde spécifique.

2. Variation de longueur d’onde de résonance entre différents échantillons de tissus cérébraux : En surveillant les échantillons communs de tissus cérébraux comme la matière blanche, la substance grise, le liquide céphalo-rachidien, les tissus cérébraux sains ainsi que les tumeurs de bas grade, les glioblastomes, les lymphomes et les métastases, il a été trouvé que les variations de longueur d’onde de résonance causées par les seuils uniques d’indice de réfraction de chaque échantillon sont significativement différentes, permettant la distinction précise entre les différents types de tissus cérébraux via le suivi des variations de longueur d’onde de résonance.

Conclusions et significations

Cet article propose un capteur biosensoriel PCF basé sur la SPR visant à différencier les tissus cérébraux normaux, anormaux, tumoraux et cancéreux. L’optimisation de la couche d’or dans la conception améliore davantage la rentabilité du capteur, permettant une détection haute performance par le suivi des variations des indices de réfraction uniques de chaque échantillon. Le capteur démontre une sensibilité remarquable (atteignant 12352.94 nm/RUI) et une haute résolution (8.09 × 10−6 RIU), offrant une potentielle application dans le domaine biomédical. Les futures recherches pourraient se concentrer sur l’intégration de multiples modes de détection pour élever la spécificité et la précision globale de la détection des tumeurs cérébrales, et améliorer la sensibilité du capteur par des modifications de surface.