Design Considerations of Highly Sensitive Dual Resonance Metasurface Grating Biosensor

光学 栅栏 共振(粒子物理) 材料科学 生物传感器 衍射光栅 对偶(语法数字) 折射率 导模共振 光电子学 物理 纳米技术 粒子物理学 文学类 艺术
作者
Amira Shafaay,AbdelRahman M. Ghanim,Mohamed A. Swillam
出处
期刊:Applied Optics [Optica Publishing Group]
卷期号:64 (9): C137-C137 被引量:1
标识
DOI:10.1364/ao.546312
摘要

This study introduces a highly responsive surface plasmon resonance (SPR) optical sensor and an all-dielectric metasurface for monitoring water salinity and glucose levels in blood. We present optimized low-cost microfluidic sensors capable of measuring water salinity (0%-40%, refractive index 1.333-1.341) and successfully detecting glucose solutions (5%-50%, refractive index 1.32-1.41). The metasurface of both structures, designed for high sensitivity, is proposed and numerically simulated in the visible and near-infrared spectral ranges. The SPR sensor consists of a multilayer grating made of Si3N4 and Al2O3 placed on a silver layer, with a SiO2 substrate. To reduce fabrication costs, the Si3N4 layer was replaced with silicon, and the plasmonic layer was eliminated. The sensor was optimized for sensitivity and accuracy using finite difference time domain simulations via Lumerical software. For water salinity detection, both plasmonic and all-dielectric sensors achieved a maximum sensitivity of 167 nm/RIU and 459 nm/RIU, respectively. The sensors also accurately detected sugar concentrations, with maximum sensitivities of about 157 nm/RIU and 542 nm/RIU for the SPR and all-dielectric structures, respectively.
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