Whispering gallery mode (WGM) resonator merupakan komponen penting dalam berbagai aplikasi optik seperti sensing, laser berambang rendah, dan add-drop filtering. Struktur simetrisnya”baik berupa mikrosfer, mikro-bottle, maupun mikro-toroid”mampu menahan cahaya melalui medan evanescent yang sensitif terhadap perubahan refraktif lingkungan, sehingga memungkinkan deteksi analit. Namun, keterbatasan energi medan evanescent di luar resonator menyebabkan sensitivitas perangkat WGM masih kurang optimal, sementara alternatif seperti hollow micro-bottle sensitif tetapi rapuh dan sulit ditangani. Karena itu, peningkatan performa sensor WGM masih sangat diperlukan.
Salah satu pendekatan untuk meningkatkan sensitivitas adalah memanfaatkan surface plasmon polaritons (SPPs), yaitu gelombang elektromagnetik yang terkopel dengan osilasi elektron bebas pada lapisan logam tipis. Ketika diinduksi oleh cahaya, fenomena ini dikenal sebagai surface plasmon resonance (SPR), yang terbukti mampu meningkatkan kemampuan deteksi refraktif pada sensor WGM. Berbagai metode”seperti prism coupling, waveguide coupling, dan grating coupling”telah digunakan untuk mengaktifkan SPR, serta menunjukkan bahwa integrasi material plasmonik dapat memberikan peningkatan sensitivitas yang signifikan.
Minat terhadap sensor optik meningkat karena karakteristiknya yang sangat selektif, sensitif, dan cepat dalam memberikan hasil pengujian, termasuk untuk deteksi patogen. Dalam konteks biosensing berbasis SPR, biomolekul diimobilisasi pada lapisan logam sehingga pergeseran resonansi dapat mencerminkan keberadaan analit. Beberapa penelitian sebelumnya menunjukkan keberhasilan sensor SPR dalam mendeteksi virus seperti dengue, sehingga membuka peluang lebih luas untuk pengembangan sensor virus berbasis optik.
Artikel ini kemudian menawarkan solusi dengan menghadirkan model resonator WGM yang dilapisi perak dalam bentuk crescent untuk memaksimalkan interaksi plasmonik. Sistem ini dikopel menggunakan waveguide silika, serta dilengkapi lapisan DNA-tioli untuk menguji respons resonator terhadap perubahan indeks refraktif larutan, dengan fokus utama pada aplikasi deteksi virus. Pendekatan ini menggabungkan keunggulan resonator WGM dan material plasmonik untuk meningkatkan sensitivitas sensor biosensing generasi baru.
Metode dan Hasil
Penelitian ini mengembangkan sebuah model resonator whispering gallery mode (WGM) berbentuk cincin dengan radius 3 μm yang dikopel menggunakan waveguide silika berukuran 0,5 μm. Resonator ini dilapisi perak dengan bentuk crescent, yang dibuat berdasarkan geometri elips sehingga ketebalan maksimum lapisan dapat diatur antara 40“65 nm. Pelapisan dilakukan secara merata melalui metode thermal evaporation, sedangkan indeks refraktif perak dihitung menggunakan model Drude.
Selain lapisan perak, ditambahkan pula lapisan thiol-DNA setebal 4 nm dengan indeks refraktif 1,4 untuk memodelkan interaksi dengan virus. Virus dalam model ini didefinisikan sebagai gabungan volume-weighted indeks refraktif RNA dan membran protein, sehingga perubahan indeks refraktif sampel berkisar antara 1,333 hingga 1,340”kisaran yang merepresentasikan variasi viral load rendah hingga sedang.
Model disimulasikan menggunakan COMSOL Multiphysics 6.0 dengan pendekatan elemen hingga pada domain frekuensi. Dua port digunakan untuk memasukkan dan menangkap cahaya pada waveguide, sedangkan perfectly matched layer (PML) diterapkan untuk meminimalkan refleksi. Variasi gap antara waveguide dan resonator diuji dari 0 hingga 400 nm untuk mengevaluasi efeknya terhadap kualitas resonansi, termasuk Q-factor dan extinction ratio.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa kehadiran resonator menimbulkan penurunan transmisi berupa resonance dips pada spektrum, menandakan terjadinya kopling energi dari waveguide ke resonator. Variasi coupling gap memiliki pengaruh besar terhadap performa resonator: semakin besar jarak gap, Q-factor meningkat hingga mencapai nilai sekitar 2.000, namun extinction ratio justru menurun drastis, sehingga mengurangi kejernihan sinyal resonansi.
Ketebalan lapisan perak juga memengaruhi posisi dan bentuk resonansi. Penambahan ketebalan menyebabkan pergeseran resonansi ke arah panjang gelombang yang lebih besar (red shift), serta memengaruhi tingkat over-coupling dan under-coupling. Lapisan perak 55 nm terbukti memberikan kondisi kopling paling ideal.
Perubahan indeks refraktif analit menghasilkan pergeseran resonansi yang jelas, menunjukkan sensitivitas tinggi sistem terhadap variasi lingkungan optik. Resonator dengan lapisan perak 55 nm menghasilkan sensitivitas 219 nm/RIU, dan meningkat sedikit menjadi 220 nm/RIU setelah ditambahkan lapisan thiol-DNA. Ketebalan perak lainnya menunjukkan sensitivitas yang lebih rendah, misalnya 156 nm/RIU pada ketebalan 40 nm.
Secara keseluruhan, hasil menunjukkan bahwa kombinasi resonator WGM berlapis perak berbentuk crescent dan lapisan thiol-DNA memberikan sensitivitas yang kompetitif dan potensi kuat untuk aplikasi biosensing, khususnya deteksi virus pada konsentrasi rendah.
Penulis : Prof. Dr. Retna Apsari, M.Si
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
Huda Adnan Zain, Sulaiman Wadi Harun, Malathy Batumalay, Hazil Rafis A.Rahim, Retna Apsari. Silver-coated whispering gallery mode resonator for bio-sensing applications
