Витилиго — заболевание кожи, характеризующееся потерей клеток, производящих пигмент, что приводит к появлению белых пятен на коже.1. Это заболевание, которое физически уродует, особенно у темнокожих людей, делает поврежденную кожу более уязвимой к солнечным ожогам. Этим кожным заболеванием страдают почти 0,1–2% населения земного шара, независимо от расы и пола.2. За потерю меланоцитов при витилиго ответственны различные механизмы, такие как генетические, воспалительные, аутоиммунные, окислительные и метаболические изменения; но реакция организма человека на эти изменения все еще остается спорной.3. Как правило, это состояние вызвано потерей или уменьшением количества пигментов, присутствующих в коже человека, которые важны для поддержания цвета кожи независимо от загрязнения и площади кожи, подвергающейся воздействию солнечного света. Некоторые из пигментов, которые приводят к витилиго, включают: меланин, кератин, коллаген, дерму и эпидермис.4. Оптический биосенсор на основе фотонного кристалла может стать одним из потенциальных методов обнаружения и диагностики витилиго.5. Такие биосенсоры используют принципы взаимодействия света с фотонными структурами для обнаружения специфических биомаркеров, связанных с витилиго. Выборочный захват с последующим обнаружением этих биомаркеров может дать возможность быстрой и точной диагностики для предотвращения заболевания.6. Фотонная технология потенциально может произвести революцию в диагностике и мониторинге витилиго, предоставив неинвазивный и эффективный метод медицинским работникам. Любой футуристический прогресс в обнаружении витилиго и его диагностике может существенно облегчить беспокойство пациента, что улучшит наше понимание основных механизмов, связанных с этим расстройством. В последние годы фотонные кристаллы (ПК) привлекли большое внимание как со стороны промышленности, так и научных учреждений из-за их применения в фотонике, биохимии и электронике.7. ПК относятся к новой категории материалов, в которых показатель преломления (RI) периодически меняется в одномерном (1D), двухмерном (2D) и трехмерном (3D) измерениях.8. Когда световые волны попадают на ПК, некоторым фотонам разрешается проходить через них, а другим запрещается (полностью отражается). Запрещенные фотоны, лежащие в определенном диапазоне длин волн, приводят к появлению стоп-зон в спектре пропускания, которые обычно называют фотонной запрещенной зоной (PBG).9. Следовательно, ПК обеспечивают потрясающий контроль над распространением света, что позволяет использовать их при проектировании интегрированных оптических устройств.10,11,12. Недавно основы фотоники были объединены с плазмоникой для разработки нового типа фотоплазмонных сенсорных устройств для обнаружения мельчайших изменений показателя преломления окружающей среды (RI). Такой новый тип фотофотонных устройств обладает интригующей способностью усиливать взаимодействие света с материей, что приводит к излучению одиночных фотонов, биосенсорам и лазерам. Возбуждение электромагнитного излучения (ER) на границе раздела между плазмонным металлом (например, золотом и серебром) и 1D PC отвечает за таммовский резонанс (TR), который также известен как таммовский плазмон-поляритон (TPP). Фотоплазмонные устройства могут возбуждать Таммовский резонанс независимо от состояния поляризации падающего света, соответствующего любому углу падения. В отличие от плазмонных датчиков на основе поверхностного плазмонного резонанса (ППР), фотоплазмонные устройства не требуют дифракционной решетки или прима для передачи света в структуру. Кроме того, в ППР-биосенсорах возможно возбуждение ЭР под определенным углом, соответствующим только поляризованной волне ТМ. Фотоплазмонные структуры обладают особой способностью возбуждать таммовский резонанс, соответствующий обоим состояниям поляризации, без необходимости использования какого-либо призматического соединителя. За последние два десятилетия фотоплазмонное биосенсорство предоставило возможность обнаружения биомолекулярных взаимодействий в режиме реального времени и без использования меток.13. Резонанс Тамма обеспечивает ограничение ЭР на границе между 1D ПК и металлическим слоем, что приводит к появлению острого пика внутри ФЗЗ.14. Положение этого пика чрезвычайно чувствительно к оптическим характеристикам ПК и его окружения.15. Следовательно, такая структура может быть использована для разработки датчиков. В этой статье мы теоретически исследовали одномерный фотонный кристалл на основе таммовского резонанса для обнаружения витилиго. Результаты предложенной работы основаны на методе матрицы переноса (TMM) на основе моделирования MATLAB.
Архитектура предлагаемого биосенсора и теоретическая модель
Предлагаемый фотонный биосенсор на основе таммовского резонанса состоит из 1D ПК, как показано на рис. 1. Предлагаемая конструкция [Prism/Ag/skin-sample/(GaP/PS)N/glass substrate] реализуется путем связывания стеклянной призмы с 1D ПК [(GaP/PS)N/glass substrate] через тонкие и толстые слои серебра (Ag) и воздуха соответственно. Толстый полый слой воздуха используется в качестве полости для проникновения в исследуемые образцы кожи, инфицированной витилиго. Бинарный 1D ПК [(GaP/PS)N/glass substrate] состоит из слоев фосфида галлия (GaP) и пористого кремния (PS), нанесенных друг на друга путем повторения пары слоев GaP и PS. Н раз. Вся структура напылена на стеклянную подложку, как показано на рис. 1. Номер периода Н структура оптимизирована до 10. Оптимизация номера периода фотонного датчика выполнена таким образом, чтобы получить более широкую PBG, чтобы можно было позволить режиму TPP перемещаться внутри PBG в зависимости от природы образца, залитого в полость. Кроме того, это также позволяет нам увеличить количество образцов кожи, подлежащих исследованию. Применение призм является предпочтительным по ряду причин для подачи света в оптические системы. (1) Его способность изменять направление распространения света, попадающего в систему, (2) создавать дисперсию для разделения света на различные элементы, (3) за счет оптической разности, (4) Он также может изменять поляризацию свет и (5) Для создания действительно важной картины помех, которая полезна в ПК. Показатели преломления материала призмы, слоев GaP и PS составляют 2,5.163.3217 и 1,5618соответственно. Толщина тонкого слоя Ag (дм) сохраняется равным 25 нм. При этом толщины чувствительной области воздуха, слоев GaP и PS принимаются равными дс = 700 нм, д1 = 250 нм и д3 = 435 нм соответственно. Показатель преломления (RI) тонкого металлического слоя Ag рассчитывается с использованием модели Друде как19,20.
$${n_{Ag}}=\sqrt {1 — \frac{{\omega _{p}^{2}}}{{({\omega ^2}+i\gamma \omega )}}}$ $
(1)
Здесь ойп(= 2,18 ФЗ), с (= 4,353 ТГц) и ой представляют собой плазменную частоту, коэффициент затухания, связанный с Ag, и частоту падающего излучения соответственно.
Принципиальная схема предлагаемого датчика, состоящего из призмы/Ag/кожи-образца/(GaP/PS)Н/Стекло. Здесь области желтого, серого, оранжевого, синего, темно-бордового и голубого цвета представляют основной, металлический слой, чувствительную область, заполненную образцом кожи, слой GaP, слой PS и стеклянную подложку конструкции соответственно.
Возможности восприятия и обнаружения предлагаемого датчика исследуются путем исследования характеристик передачи биосенсора, смоделированных с помощью вычислительного программного обеспечения MATLAB в свете метода матрицы переноса (TMM). Описание типичного ТММ приведено в виде15,21,22,23.
$$\raisebox{-4pt}{{\sf J}}\kern-3.5pt{\sf N} = \:\left(\begin{array}{cc}\raisebox{-4pt}{{\sf J }}\kern-3.5pt{\sf N}_{11};\:\raisebox{-4pt}{{\sf J}}\kern-3.5pt{\sf N}_{12}\\\:\raisebox{-4pt}{{\sf J}}\kern-3.5pt{\sf N}_{21};\:\raisebox{-4pt}{{\sf J}}\kern-3.5pt{\sf N}_{22}\end{array}\right) = \:\left({\text{I}}_{m}\right)\left({\text{I}}_{S}\right)\:{\text{I}}_{A}{ \text{I}}_{B}$$
(2)
где \(\:{\text{I}}_{m}\),\(\:\:{\text{I}}_{S}\), \(\:{\text{I}}_{A\:}\:and\:{\text{I}}_{B}\) – матрицы переноса, представляющие металлический слой, чувствительную среду, слои GaP и PS соответственно. Элементы всей передаточной матрицы Ɲ 2 × 2 представлены как Ɲij(я = от 1 до 2 и дж= от 1 до 2). Характеристическая матрица любого слоя джбиосенсора можно определить как21
$$I_{j} = \left[ {\begin{array}{*{20}c} {\cos \left( {_{j} } \right)} & { — iD_{j}^{{ — 1}} \sin \left( {_{j} } \right)} \\ { — iD_{j} \sin \left( {_{j} } \right)} & {\cos \left( {_{j} } \right)} \\ \end{array} } \right]$$
(3)
Здесь\(\:\:{Ł}_{j}=\frac{2\pi\:{d}_{j}}{\lambda\:}\:{\:n}_{j\:}{ потому что}({\theta\:}_{j})\) определяется как разность фаз между входящими и исходящими световыми волнами внутри джй слой конструкции (дж= m, образец, A, B и подложка)22.\(\:\:символ\:\лямбда\:\) используется для представления длины волны падающего света в свободном пространстве, \(\:{d}_{j}\) это толщина джй слой, \(\:{\:n}_{j\:}\) это джй показатель преломления слоя.\(\:{\:\theta\:}_{j}\) угол преломления внутри джй слой, который связан с углом падения \(\:{\theta\:}_{o}\) как23
$$\:{cos}({\theta\:}_{j})=\sqrt{1-{\left(\frac{{\:n}_{o\:}{cos}({\theta \:}_{o})}{{\:n}_{j\:}}\right)}^{2}}$$
(4)
и \(\:{Ɗ}_{j}={\:n}_{j\:}{cos}({\theta\:}_{j})\) для поперечных электрических (TE) волн, тогда как \(\:{Ɗ}_{j}={cos}({\theta\:}_{j})/{\:n}_{j\:}\) для поперечных магнитных (ТМ) волн. Показатель преломления окружающей среды представлен выражением \(\:{\:нет\:}\)23. Символы \(\:{\theta\:}_{0}\),\(\:\:{\theta\:}_{m}\), \(\:{\theta\:}_{Сэм}\),\(\:\:{\theta\:}_{A}\), \(\:{\theta\:}_{B}\)и \(\:{\theta\:}_{субстрат}\) используются для представления углов распространения в призме, металле (Ag), образце, GaP, PS и подложке соответственно.
Коэффициент передачи (ʈ)24 и пропускание (Т)25 биосенсора рассчитывается как
$$t = \frac{{2D_{o} }}{{D_{o} N_{{11}} + D_{o} D_{t} N_{{12}} + N_{{21}} + D_ {t} N_{{22}} }}$$
(5)
$$t = \frac{{D_{t} }}{{D_{o} }}\,\,\left| т \right|^{2}$$
(6)
Здесь символы \(\:{\text{Ɗ}}_{\text{o}}={\:\text{n}}_{\text{o}\:}\text{cos}({{\uptheta\ :}}_{\text{o}})\) и\(\:{\:{\text{Ɗ}}_{\text{t}}=\:\text{n}}_{\text{t}\:}\text{cos}({{\ uptheta\:}}_{\text{t}})\) используются для отображения начальной и конечной среды, соответствующей волне TE.25.
Наиболее значимым параметром, используемым для измерения производительности предлагаемой структуры, является чувствительность (S). Чувствительность определяется как изменение центральной длины волны таммовской резонансной моды внутри ФЗЗ вследствие соответствующего изменения показателя преломления чувствительной среды. Математически это определяется как26
$$\:\text{S}=\frac{\varDelta\:{\uplambda\:}}{{\Delta\:}\text{n}}$$
(7)
Еще несколько параметров, таких как качество и точность датчика, также оцениваются с учетом различных аспектов измерения, которые определяют производительность датчика. Способность любого оптического датчика, имеющего узкую полосу пропускания, определяется его добротностью (Q-фактором). Математически это определяется как27
$$\:\text{Q}-\text{F}\text{a}\text{c}\text{t}\text{o}\text{r}=\frac{\lambda\:}{ FWHM}$$
(8)
Здесь полная ширина-полувысота (FWHM) = \(\:{\varDelta\:\lambda\:}_{\frac{1}{2}}\) — это разница между длинами волн на левом и правом краях резонансного пика Тамма, при которой коэффициент пропускания падает до 50% по обе стороны от резонансного пика.28.
