OP: High Order Perturbation of Surfaces Methods for Crossed Surface Plasmon Resonance Sensors: Simulation, Validation, and Design

OP:交叉表面等离子共振传感器的表面高阶扰动方法:仿真、验证和设计

基本信息

  • 批准号:
    1522548
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 18万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2015
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2015-07-15 至 2019-06-30
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Surface Plasmon Resonance (SPR) sensors are a relatively new yet pervasive technology for measuring biological and chemical interactions. These devices respond to the change in the refractive index of a structure due to the occurrence of a biological or chemical reaction. Such a change modifies the behavior of surface waves at metal-dielectric interfaces within the structure, which are then measured to form the basis for thousands of highly sensitive and effective tests for not only chemical and biological species detection, but also medical diagnosis and environmental measuring. Indeed, a 2008 survey article (J. Homola, Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species. Chemical Reviews, 108(2):462­493, 2008) lists SPR biosensors for Food Quality and Safety Analysis (62 listed), Medical Diagnostics (33 listed), and Environmental Monitoring (21 listed). In the decade since the appearance of this publication the list has grown substantially. This project shall advance the state of the art in the numerical simulation of these SPR sensors. The numerical simulation will be validated and verified through direct collaboration with experimentalists.The algorithm of "High Order Perturbation of Surfaces" (HOPS) is optimal among the wide class of potential schemes for simulating solutions of the relevant model equations. Despite their advantageous properties for the problem at hand, the HOPS methods require further enhancements for their use by engineers. This research project aims to develop several improvements. First, the project will study extensions to the three dimensional, vectorial, multiply layered configurations of current interest. Second, the project will investigate the possibility of a joint expansion of the scattered fields in both boundary deformation and wavenumber. These latter developments will mandate new rigorous analysis (which this project will deliver) to determine their domain of applicability. Once these additions have been implemented and tested, these algorithms will be vaildated against the laboratory experimental results. After this, the project aims to create an optimization framework to design SPR sensors with enhanced sensing capabilities. This will involve the design of appropriate objective functions, followed by the efficient interfacing of the new forward solvers to state of the art minimization libraries.
表面等离子体共振(SPR)传感器是一种用于测量生物学和化学相互作用的相对新的但普遍的技术。这些设备响应由于生物或化学反应的发生而导致结构折射率的变化。这样的变化改变了结构内金属丝接口处的表面波的行为,然后对其进行测量,以构成数千种高度敏感和有效的测试的基础,不仅是化学和生物物种检测,而且还为医学诊断和环境测量。实际上,2008年的调查文章(J. Homola,用于检测化学和生物物种的表面等离子体共振传感器。化学评论,108(2):462493,2008)列出了SPR生物传感器,用于食品质量和安全分析(62个列出),医学诊断(33列表),以及环境监测(21列表)。自本出版物出现以来的十年中,该清单已大大增长。该项目应在这些SPR传感器的数值模拟中推进最新技术。数值模拟将通过与实验者直接合作来验证和验证。在模拟相关模型方程的溶液中,“表面的高阶扰动”算法是最佳的。尽管在手头问题上具有优势,但啤酒花方法仍需要进一步的增强工程师的使用。该研究项目旨在发展几种改进。首先,该项目将研究到三个维度的扩展,即当前兴趣的矢量,多层配置。其次,该项目将研究边界变形和波数伯爵中散射场的联合膨胀的可能性。这些后来的发展将授权新的严格分析(该项目将提供)以确定其适用性领域。一旦实施和测试了这些添加,这些算法将受到实验室实验结果的伤害。此后,该项目旨在创建一个优化框架,以设计具有增强灵敏度功能的SPR传感器。这将涉及适当的目标函数的设计,然后将新向前求解器与最小化库的有效接口进行有效接口。

项目成果

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