Optimasi desain sensor SPR berbasis fiber optik menggunakan metode Beda Hingga Domain Waktu (FDTD) untuk mengukur konsentrasi glukosa dalam urine

INDONESIA:

Pekerjaan ini membahas optimasi desain sensor SPR berbasis fiber optik sebagai pengukur konsentrasi glukosa dalam urine melalui simulasi finite-difference time-domain (FDTD). Ada beberapa parameter fisik probe sensor yang dioptimasi dan diinvestigasi pengaruhnya terhadap performa sinyal sensor, antara lain, material dan ketebalan lapisan plasmonik, panjang zona sensing, refraktif indeks dan diameter core, dan desain probenya. Hasil menunjukkan bahwa setiap material plasmonik Cu, Ag, dan Au memiliki performa sensor yang berbeda. Selain itu, semakin tebal lapisan plasmonik semakin dangkal dip resonansi yang muncul, ini terjadi di semua material tersebut. Material yang paling optimal adalah Ag dengan ketebalan 60 nm, di mana sensitivitas maksimum yang didapat adalah S = 2498.9 nm/RIU. Kemudian, panjang zona sensing mempengaruhi kedalaman dip resonansi. Semakin panjang zona sensing, semakin dalam dip yang dimunculkan, di mana untuk panjang zona sensing 100, 200, dan 300 μm, nilai T_min yang dihasilkan yaitu 0.7696, 0.5323, dan 0.3651, masing-masing. Selanjutnya, dua nilai refraktif indeks core yang merepresentasikan material silika dan PMMA dibandingkan dan dioptimasi diameter corenya. Hasil menunjukkan semakin lebar diameter core, semakin dangkal dip yang dihasilkan. Kemudian, silika menunjukkan performa yang lebih baik daripada PMMA di semua diameter yang diinvestigasi. Di sini, silika dengan refraktif indeks 1.46 dan diameter core 6 μm adalah yang paling optimal di antara lainnya. Terakhir, dua desain probe (forward dan backward scattering) dibandingkan, hasil menunjukkan backward scattering lebih sensitif daripada forward scattering dengan nilai S = 2732.70 nm/RIU, sedangkan untuk forward scattering adalah S = 2498.9 nm/RIU. Selain itu, nilai T_min backward lebih rendah daripada forward scattering (dip lebih dangkal), yaitu 0.544 dan 0.827, masing-masing.

ENGLISH:

This study discusses the optimization of fiber-optic-based SPR sensors for measuring glucose concentration in urine through finite-difference time-domain (FDTD) simulations. Several physical parameters of the sensor probe are optimized and investigated for their influence on sensor signal performance, including the material and thickness of the plasmonic layer, sensing zone length, refractive index, core diameter, and probe design. The results indicate that each plasmonic material, Cu, Ag, and Au, exhibits different sensor performance. Additionally, as the plasmonic layer becomes thicker, the resonant dip becomes shallower, which holds true for Cu, Ag, and Au. The most optimal material is Ag with a thickness of 60 nm, yielding a maximum sensitivity of S = 2498.9 nm/RIU. Furthermore, the length of the sensing zone affects the depth of the resonant dip. A longer sensing zone results in a deeper dip. For sensing zone lengths of 100, 200, and 300 μm, the corresponding T_min values are 0.7696, 0.5323, and 0.3651, respectively. Next, two refractive index values representing silica and PMMA materials are compared, and the core diameter is optimized. The results show that as the core diameter increases, the resulting dip becomes shallower. Moreover, silica outperforms PMMA in all investigated diameters. Among the options, silica with a refractive index of 1.46 and a core diameter of 6 μm is the most optimal. Lastly, two probe designs, forward and backward scattering, are compared. The results indicate that backward scattering is more sensitive than forward scattering, with a sensitivity value of S = 2732.70 nm/RIU, while forward scattering yields S = 2498.9 nm/RIU. Furthermore, the T_min value for backward scattering is lower than that of forward scattering, indicating a shallower dip, with values of 0.544 and 0.827, respectively.

ARABIC:

هذا العمل يتناول تحسين تصميم جهاز استشعار SPR على أساس ألياف البصرية كجهاز قياس تركيز الجلوكوز في البول من خلال محاكاة finite-difference time-domain (FDTD). هناك عدة معاملات فيزيائية لجهاز الاستشعار التي تتم تحسينها ودراسة تأثيرها على أداء إشارة الاستشعار، بما في ذلك المواد وسماكة الطبقة البلازمونية، وطول المنطقة المستشعرة، ومؤشر الانكسار وقطر النواة، وتصميم شكل المحول. أظهرت النتائج أن كل مادة بلازمونية (النحاس والفضة والذهب) لديها أداء مختلف للجهاز الاستشعار. بالإضافة إلى ذلك، كلما زادت سماكة الطبقة البلازمونية، زاد انخفاض الانتقالية الدنيا (عند الرنين) التي يتم توليدها، ويحدث ذلك في جميع المواد المذكورة. المادة الأكثر تحسينًا هي الفضة بسماكة 60 نانومتر، حيث يتم الحصول على أقصى حساسية مقدارها S = 2498.9 نانومتر/RIU. ثم، يؤثر طول منطقة الاستشعار على قيمة الانتقالية الدنيا (عند الرنين). كلما زاد طول منطقة الاستشعار، زادت الانتقالية الدنيا (عند الرنين) التي تم توليدها، حيث بالنسبة لأطوال مناطق الاستشعار 100 و 200 و 300 ميكرومتر، فإن قيم الانتقالية الدنيا (عند الرنين) التي تم توليدها هي على التوالي 0.7696 و 0.5323 و 0.3651. علاوة على ذلك، تمت مقارنة وتحسين قطر نواة مادتي السيليكا و PMMA بواسطة قيمتي مؤشر الانكسار الأساسي. أظهرت النتائج أنه كلما زاد قطر النواة، زادت الانتقالية الدنيا (عند الرنين) التي تم توليدها. وعلاوة على ذلك، أظهرت السيليكا أداءًا أفضل من PMMA في جميع الأقطار التي تمت دراستها. هنا، يعتبر السيليكا بمؤشر انكسار 1.46 وقطر نواة 6 ميكرومتر الأكثر تحسينًا بين القيم الأخرى. في النهاية، تمت مقارنة تصميمين لشكل المحول (وضع إلى الأمام ووضع إلى الخلف)، وأظهرت النتائج أن وضع إلى الخلف أكثر حساسية من وضع إلى الأمام بقيمة S = 2732.70 نانومتر/RIU، بينما كانت قيمة وضع إلى الأمام هي S = 2498.9 نانومتر/RIU. بالإضافة إلى ذلك، كانت الانتقالية الدنيا (عند الرنين) في وضع الخلف أقل من وضع الأمام، وهي 0.544 و 0.827 على التوالي.