Design and Analysis of a High-Performance Capsule-Shaped 2D-Photonic Crystal Biosensor: Application in Biomedicine

Abstract

У статті успішно запропонований, розроблений та оцінений новий капсулоподібний біосенсор на двовимірних фотонних кристалах (2D-PhC), який може визначати різні рідини організму та ракові клітини для біомедичних застосувань. Для виявлення компонентів крові та ракових клітин проведено моделювання та аналіз з використанням методу розкладання плоскої хвилі (PWE) та алгоритму кінцевих різниць у часовій області (FDTD), для яких відбираються зразки у рідкій формі та поміщуються у капсулоподібну порожнину. Біосенсор складається з капсулоподібної порожнини, з'єднаної з двома хвилеводами, а чутлива область має капсульну геометрію і розташована в центральній області оптичного хвилеводу. Чутливий механізм запропонованого біосенсора заснований на зміні показника заломлення аналіту. Висока чутливість 609,25 нм на одиницю показника заломлення (нм/RIU), низька межа виявлення 3,9×10 – 6 RIU і добротність до 107 спрогнозовані для конкретного розташування сенсорної матриці в діапазоні довжин хвиль від 1,4367 до 2,0233 мкм. Ці значення демонструють потенціал біосенсора, який розглядається. Щоб переконатися у достовірності запропонованого біосенсора, проведено порівняння результатів цієї роботи та відповідної літератури для фотонно-кристалічних (2D-PhC) біосенсорів.

In this paper, a novel capsule-shaped two-dimensional photonic crystal (2D-PhC) biosensor, which can sense different body fluids and cancer cells for biomedical applications, has been successfully proposed, designed, and evaluated. Simulation and analysis using Plane Wave Expansion (PWE) method and FiniteDifference Time-Domain (FDTD) algorithm have been done to detect blood components and cancer cells, in which samples are taken in liquid form and penetrate a capsule-shaped cavity. It consists of a capsuleshaped cavity coupled to two waveguides, and the sensing region has a capsular geometry and is positioned in the central region of the optical waveguide. The sensing mechanism of the present biosensor is based on changing the refractive index of the analyte. A high sensitivity of 609.25 nm per refractive index unit (nm/RIU), a low detection limit of 3.9 × 10 – 6 RIU and a Q-factor of up to 107 are predicted for a specific sensor-array arrangement in the wavelength range of 1.4367 to 2.0233 µm. These values demonstrate the potentiality of the proposed biosensor. To ensure the validity of the proposed biosensor, a comparison between the results of the present work and related literature for 2D-PhC biosensors has been made.