STUDIO E PROGETTO DI UNA METASUPERFICIE PER IL SENSING DI PROTEINE IGG

The following thesis work aims at the analysis, design and optimization of a metasurface for the sensing of immunoglobulin G (IgG) proteins. Antigen sensing is essential for early cancer diagnosis as it may reveal the presence of specific biomarkers associated with tumours. Early detection of tumors can allow targeted and less invasive therapeutic interventions, increasing the chances of treatment success. Furthermore, regular surveillance of tumor biomarkers via antibody sensing can also be used for monitoring response to treatment and detecting any recurrence. Thus, antigen sensing for early cancer detection offers a promising approach for detecting early-stage cancers, improving the chances of cure and management of patients with this disease. In the context of the detection of IgG proteins, a high concentration could be a symptom of tumor lesions or the presence of visible or detectable symptoms with diagnostic methods. The detection of IgG can be performed on samples of blood or other biological fluids, such as saliva or urine. These tests are non-invasive and can be repeated over time, reducing the need for invasive or painful procedures. In addition, IgG sensing allows monitoring of response to treatment, since, after treatment, the levels of specific antibodies can change, indicating the effectiveness of therapies or tumor recurrence. In order to allow a rapid and efficient monitoring of the protein concentration inside a biological fluid, a dielectric metasurface has been designed, through the use of a solver based on the finite element method (FEM), able to guarantee high sensitivity, specificity, speed of response and compactness. In particular, the use of a superlattice structure ensures a resonance quality factor ≥ 103 with high amplitude, which allows high sensitivity and efficient discernment of small analyte concentration variations within the solution.

Il seguente elaborato di tesi mira all’analisi, progettazione e ottimizzazione di una metasuperficie per il sensing di proteine immunoglobuline G (IgG). Il sensing di antigeni risulta fondamentale per la diagnosi tumorale precoce poiché potrebbe rivelare la presenza di biomarcatori specifici associati ai tumori. La rilevazione precoce dei tumori può consentire interventi terapeutici mirati e meno invasivi, aumentando le possibilità di successo del trattamento. Inoltre, la sorveglianza regolare dei biomarcatori tumorali tramite il sensing degli anticorpi può anche essere utilizzata per il monitoraggio della risposta al trattamento e per rilevare eventuali recidive. Pertanto, il sensing di antigene per la diagnosi tumorale precoce offre un approccio promettente per individuare i tumori in fase iniziale, migliorando le possibilità di guarigione e la gestione dei pazienti affetti da questa malattia. Nell’ambito della rilevazione di proteine IgG, una concentrazione elevata potrebbe essere sintomo di lesioni tumorali o presenza di sintomi visibili o rilevabili con metodiche diagnostiche. La rilevazione di IgG può essere effettuata su campioni di sangue o altri fluidi biologici, come saliva o urina. Tali test risultano non invasivi e possono essere ripetuti nel tempo, riducendo la necessità di procedure invasive o dolorose. Il sensing di IgG permette, in aggiunta, il monitoraggio della risposta al trattamento, poiché, dopo il trattamento, i livelli di anticorpi specifici possono cambiare, indicando l’efficacia delle terapie o la recidiva del tumore. Al fine di consentire un rapido ed efficiente monitoraggio della concentrazione delle proteine all’interno di fluido biologico, è stata progettata, mediante l’utilizzo di un solutore basato sul metodo degli elementi finiti (FEM), una metasuperficie dielettrica, in grado di garantire elevata sensibilità, specificità, rapidità della risposta e compattezza. In particolare, l’utilizzo di una struttura superlattice garantisce un fattore di qualità della risonanza ≥ 103 con elevata ampiezza, che consente un’elevata sensibilità ed un efficiente discernimento di piccole variazioni di concentrazione dell’analita all’interno della soluzione.