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Direct Aerosol Detection of SARS-CoV-2 S Protein Using a Terahertz Metasurface Sensor Based on Bound States in the Continuum

太赫兹辐射 微流控 材料科学 检出限 灵敏度(控制系统) 光电子学 纳米技术 气溶胶 极限(数学) 探测理论 计算 物理 蛋白质检测 光子学
作者
Wenqiang Xing,Xiaomeng Bian,Ruige Su,Yuke Han,Tianshu Li,Rui You
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (3): 4865-4874
标识
DOI:10.1021/acsami.5c21785
摘要

Taking COVID-19 as an example, rapid screening and isolation of positive patients are crucial for preventing the spread of the virus. However, current technologies face challenges in terms of timeliness and accuracy. Emerging metasurface (MS) technology holds promise in addressing the issues. This paper presents an innovative method for detecting SARS-CoV-2 spike protein aerosols using advanced MS design and microfluidic technology. Through the Friedrich–Wintgen quasi-bound states in the continuum (F–W QBIC) theory, we designed an MS with a Q-factor of 23 and a sensitivity of 157.07 GHz/RIU. We also studied its resonant modes using multipolar expansion. Then, we designed an experimental microfluidic detection device to test the ability of the MS to detect alcohol solutions and SARS-CoV-2 S protein aerosols. The results show that, through quantitative simulation of a patient’s exhalation for 1 min, the device can detect SARS-CoV-2 S protein aerosols at a minimum detection limit of 0.1 ng/mL, with a sensitivity of 1.41 GHz/lg (ng·mL–1). Our research proposes a design, fabrication, and application method for a highly sensitive, low-detection-limit terahertz sensor for SARS-CoV-2 S protein aerosols. This provides a direct and innovative solution for real-time detection in infectious disease prevention and control.
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