tm – Technisches Messen 2019; aop Yixiong Zhao*, Kunj Himanshu Vora, Gerd vom Bögel, Karsten Seidl, and Jens Weidenmüller Design and simulation of a photonic crystal resonator as a biosensor for point-of-care applications Design und Simulation eines photonischen Kristall (PC) Resonators für die Anwendung als Biosensor https://doi.org/10.1515/teme-2019-0127 Received September 6, 2019; accepted November 27, 2019 Abstract: Point-of-care (POC) devices are essential for rapid testing of samples for early diagnosis of diseases. The accuracy and the sensitivity of the POC device de- pend mainly on the biosensors. The currently used POC de- vices require specialized operating personnel, long sam- ple preparation time and high equipment costs. We aim to explain a bio-sensing concept using a photonic crystal (PC) resonator that would mitigate the drawbacks of the present sensing techniques. Photonic crystals consist of spatially arranged dielectric materials presenting a band gap that prevents electromagnetic waves of certain fre- quency range to propagate through it. PC resonators have shown to have very high sensitivities for bio-sensing ap- plications at THz frequencies. A PC resonator with a high Q-factor is designed and simulated to detect the changes in the surrounding dielectric permittivity. As an application for detecting specifc biomolecules, a protocol for surface functionalization has been explained. This will enable the selective binding of biomolecules from the sample. Shift in resonant frequency and attenuation in magnitude at the peak resonant frequency can be observed from the simulation results. These changes in the resonator prop- erties can be indicative of the presence of a particular biomolecule or pathogen and its concentration within the sample. Keywords: Point-of-care, biosensor, photonic crystal. *Corresponding author: Yixiong Zhao, Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme, Abteilung TSA, Finkenstr. 61, Duisburg, 47057, Germany, e-mail: yixiong.zhao@ims.fraunhofer.de Kunj Himanshu Vora, Hochschule Anhalt, Köthen, Sachsen-Anhalt, Germany Gerd vom Bögel, Jens Weidenmüller, Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme, Abteilung TSA, Finkenstr. 61, Duisburg, 47057, Germany Karsten Seidl, Universität Duisburg-Essen, Duisburg, Nordrhein-Westfalen, Germany Zusammenfassung: Point-of-Care (POC)-Geräte bekom- men in der schnellen Früherkennung von Krankheiten eine immer größere Bedeutung. Die derzeit eingesetzten POC-Geräte erfordern jedoch spezialisiertes Bedienper- sonal, lange Probenvorbereitungszeiten und hohe Gerä- tekosten sodass weitere Entwicklungsschritte notwendig sind. Die Genauigkeit und die Empfndlichkeit dieser Gerä- te hängen maßgeblich von den eingesetzten Biosensoren ab. Hier wird eine alternative Biosensormethode basierend auf einem photonischen Kristall (PC)-Resonator vorstellt, welche Vorteile gegenüber der bisherigen Messtechniken aufweist. Photonische Kristalle bestehen aus räumlich an- geordneten dielektrischen Materialien, die eine Bandlücke haben, die es nicht zulässt, dass sich elektromagnetische Wellen bei bestimmten Frequenzen durch sie ausbreiten. PC-Resonatoren können mit sehr hohen Empfndlichkei- ten für die Anwendung in der Biosensorik simuliert und entworfen werden. Diese angepassten PC-Resonatoren mit sehr Gütefaktoren messen die Veränderungen der dielek- trischen Permittivität in der direkten Umgebung. Für die Erkennung der Biomoleküle ist die Oberfäche des PCs so vorbereitet, dass die Immobilisierung eines Biorezeptors ermöglicht wird, der selektiv an die in der Probe vorhan- denen Biomoleküle bindet. Die Simulationsergebnisse zei- gen, dass es bei erfolgreicher Bindung an die Oberfäche zu einer Frequenzverschiebung und Dämpfung bei der Reso- nanzfrequenz kommt, was auf das Vorhandensein dieses Biomoleküls und seine Konzentration hinweist. Schlagwörter: Point-of-care, Biosensor, photonischen Kristall. 1 Introduction Point-of-Care (POC) diagnostic devices have been gaining growing popularity in the healthcare market, as they pro- vide rapid detection of pathogens and biomolecules re- placing lengthy laboratory procedures. Over the years, the