High-Performance Two-Dimensional Photonic Crystal Biosensor to Diagnose Malaria Infected RBCs

Abstract

У статті запропоновано двовимірний фотонно-кристалічний біосенсор на основі кільцевої порожнини. Він призначений для діагностики уражених малярією еритроцитів в діапазоні довжин хвиль 1130-1860 нм для ТМ-поляризованого світла. Пропонований біосенсор складається з двох хвилеводів, з’єднаних з однією кільцеподібною мікропорожниною, яку отримано видаленням семи отворів решітки, причому мікропорожнина відокремлена від двох хвилеводів трьома отворами. Проникнення аналіту в кільцеподібну порожнину змінює її показник заломлення, і ця зміна показника заломлення інфікованих і нормальних (неінфікованих) еритроцитів викликає відповідний зсув довжини хвилі на вихідному терміналі. Робочими параметрами біосенсора є висока чутливість понад 700 нм/RIU, коефіцієнт надвисокої якості (Q-фактор) до 106, що дає добротність датчика до 106 RIU – 1, і низька межа виявлення 10 – 7 RIU. Пропонований пристрій також має ультра-компактний розмір 9,78x8,84 мкм2, що робить його привабливим для застосування в мікросхеміах. Отримані результати показали, що кільцеподібна конфігурація отворів забезпечує оптичне обмеження в області порожнини. Запропонована конструкція моделюється за допомогою методу розширення плоскої хвилі (PWE) і алгоритму кінцевої різниці в часовій області (FDTD).

In this paper, a two-dimensional photonic crystal refractive index biosensor based on a ring-shaped cavity has been proposed. It is designed for the diagnosis of malaria-infected red blood cells (RBCs) in the wavelength range of 1130-1860 nm for TM-polarized light. The proposed biosensor consists of two waveguides coupled with one ring-shaped microcavity, which is obtained by removing seven lattice holes, the microcavity is separated from the two waveguides by three holes. The infiltration of the analyte into the ring-shaped cavity changes its refractive index, and this variation of the refractive index of infected and normal uninfected RBCs causes a corresponding wavelength shift at the output terminal. Consequently, a high sensitivity of more than 700 nm/RIU, an ultra-high-quality factor (Q-factor) of up to 106 giving a sensor figure of merit (FOM) of up to 106 RIU – 1, and a low detection limit of 10 – 7 RIU can be achieved for the proposed design. The proposed device has also an ultra-compact size of 9.78 x 8.84 µm2 that makes it so attractive for lab-on-a-chip applications. The obtained results have demonstrated that the ring-shaped holes configuration provides an excellent optical confinement within the cavity region. The proposed design is simulated using Plane Wave Expansion (PWE) method and Finite-Difference Time-Domain (FDTD) algorithm.