Optimasi desain sensor SPR berbasis fiber optik menggunakan metode Finite-Difference Time-Domain (FDTD) untuk mendeteksi konsentrasi Interleukin-17

INDONESIA:

Penelitian ini bertujuan untuk mengoptimalkan desain sensor Surface Plasmon Resonance (SPR) berbasis fiber optik menggunakan metode Finite-Difference Time-Domain (FDTD) untuk mendeteksi konsentrasi Interleukin-17 (IL-17). Optimasi dilakukan melalui variasi jenis material plasmonik, ketebalan lapisan logam, dan panjang probe sensing. Material yang digunakan meliputi perak (Ag), emas (Au), dan tembaga (Cu), dengan variasi ketebalan lapisan logam 10–80 nm serta panjang probe sensing 100–300 µm. Kinerja sensor dievaluasi berdasarkan parameter sensitivitas (S), Detection Accuracy (DA), Quality Factor (QF), dan Figure of Merit (FoM). Hasil simulasi menunjukkan bahwa material emas (Au) menghasilkan performa sensor terbaik dibandingkan Ag dan Cu. Variasi ketebalan lapisan logam menunjukkan bahwa ketebalan 40 nm memberikan respons resonansi yang paling optimal dengan sensitivitas tertinggi dan karakteristik spektrum yang baik. Variasi panjang probe sensing menunjukkan bahwa panjang 300 µm menghasilkan sensitivitas, QF, dan FoM tertinggi dibandingkan variasi lainnya. Pengujian terhadap variasi indeks bias IL-17 memperlihatkan terjadinya perubahan intensitas secara konsisten seiring peningkatan indeks bias, yang menunjukkan kemampuan sensor dalam mendeteksi perubahan konsentrasi IL-17. Konfigurasi sensor SPR berbasis fiber optik dengan material emas (Au), ketebalan lapisan logam 40 nm, dan panjang probe sensing 300 µm merupakan desain optimum untuk mendeteksi konsentrasi Interleukin-17 secara sensitif dan akurat.

ENGLISH:

This study aims to optimize the design of a fiber optic-based Surface Plasmon Resonance (SPR) sensor using the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method for detecting Interleukin-17 (IL-17) concentration. The optimization was carried out by varying the type of plasmonic material, metal layer thickness, and sensing probe length. The plasmonic materials investigated were silver (Ag), gold (Au), and copper (Cu), with metal layer thicknesses ranging from 10 to 80 nm and sensing probe lengths ranging from 100 to 300 µm. Sensor performance was evaluated based on sensitivity (S), Detection Accuracy (DA), Quality Factor (QF), and Figure of Merit (FoM). The simulation results showed that gold (Au) exhibited the best sensor performance compared to Ag and Cu. The variation in metal layer thickness indicated that a thickness of 40 nm provided the most optimal resonance response, yielding the highest sensitivity and favorable spectral characteristics. Furthermore, the variation in sensing probe length demonstrated that a probe length of 300 µm produced the highest sensitivity, QF, and FoM among all investigated configurations. The analysis of IL-17 refractive index variations revealed a consistent change in intensity with increasing refractive index, indicating the sensor's capability to detect changes in IL-17 concentration. A fiber optic-based SPR sensor configuration employing gold (Au) as the plasmonic material, a metal layer thickness of 40 nm, and a sensing probe length of 300 µm was found to be the optimum design for sensitive and accurate detection of Interleukin-17 concentration.

ARABIC:

تهدف هذه الدراسة إلى تحسين تصميم مستشعر الرنين البلازموني السطحي (SPR) المعتمد على الألياف البصرية باستخدام طريقة الفروق المحدودة في المجال الزمني (FDTD) للكشف عن تركيز الإنترلوكين-17 (IL-17). وقد أُجريت عملية التحسين من خلال دراسة تأثير نوع المادة البلازمونية، وسمك الطبقة المعدنية، وطول منطقة الاستشعار. وشملت المواد البلازمونية المستخدمة الفضة (Ag)، والذهب (Au)، والنحاس (Cu)، مع تغيير سمك الطبقة المعدنية بين ١٠ و٨٠ نانومتر، وطول منطقة الاستشعار بين ١٠٠ و٣٠٠ ميكرومتر. وتم تقييم أداء المستشعر اعتمادًا على معايير الحساسية (S)، ودقة الكشف (DA)، ومعامل الجودة (QF)، ومعيار الجدارة .(FoM) أظهرت نتائج المحاكاة أن الذهب (Au) حقق أفضل أداء للمستشعر مقارنةً بالفضة والنحاس. كما بيّنت دراسة تأثير سمك الطبقة المعدنية أن السمك البالغ ٤٠ نانومتر أعطى أفضل استجابة رنينية، حيث حقق أعلى حساسية وخصائص طيفية جيدة. كذلك أظهرت دراسة تأثير طول منطقة الاستشعار أن الطول البالغ ٣٠٠ ميكرومتر حقق أعلى قيم للحساسية ومعامل الجودة ومعيار الجدارة مقارنةً ببقية الأطوال المدروسة. وأظهرت اختبارات تغير معامل الانكسار الخاص بالإنترلوكين-17 حدوث تغير منتظم في شدة الإشارة مع زيادة معامل الانكسار، مما يدل على قدرة المستشعر على الكشف عن التغيرات في تركيز الإنترلوكين-17. وتبين أن التصميم الأمثل لمستشعر SPR المعتمد على الألياف البصرية يتمثل في استخدام الذهب (Au) كمادة بلازمونية، وسمك طبقة معدنية قدره ٤٠ نانومتر، وطول منطقة استشعار يبلغ ٣٠٠ ميكرومتر، لما يوفره من حساسية ودقة عاليتين في الكشف عن تركيز الإنترلوكين-17.