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Title: Modeling sensorgrams issued by a surface plasmon resonance biosensor.
Other Titles: Modelagem de sensorgramas emitidos por um biossensor de ressonância plasmônica de superfície.
???metadata.dc.creator???: ARAÚJO , Rodrigo Toledo de.
???metadata.dc.contributor.advisor1???: LIMA, Antonio Marcus Nogueira.
???metadata.dc.contributor.advisor2???: MELO, Arthur Aprígio de .
???metadata.dc.contributor.referee1???: QUEIROZ, Wamberto José Lira de.
???metadata.dc.contributor.referee2???: FILHO, Carlos Alberto de Souza.
???metadata.dc.contributor.referee3???: MOREIRA, Cleumar da Silva.
Keywords: Ressonância de plásmons de superfície;Sensorgramas;Adsorção de proteínas;Modelagem cinética;Variabilidade experimental;Redes neurais informadas pela física;Surface plasmon resonance;Sensorgrams;Protein adsorption;Kinetic modeling;Experimental variability;Physics-informed neural networks
Issue Date: 13-Aug-2025
Publisher: Universidade Federal de Campina Grande
Citation: ARAÚJO, Rodrigo Toledo de. Modeling sensorgrams issued by a surface plasmon resonance biosensor . 2025. 152 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Centro de Engenharia Elétrica e Informática, Universidade Federal de Campina Grande, Paraíba, Brasil, 2025.
???metadata.dc.description.resumo???: Uma estrutura computacional abrangente foi desenvolvida e validada para modelar e abordar as limitações na análise de sensorgramas de Ressonância de Plásmon de Superfície (SPR). A estrutura integra um modelo para mudanças no índice de refração do meio (bulk), um modelo com resolução espacial para heterogeneidade da superfície e algoritmos avançados de estimação de parâmetros, como Mínimos Quadrados Recursivos (RLS) para análise em tempo real e uma nova Rede Neural Informada pela Física (PINN) baseada em LSTM. A validação foi realizada utilizando dados de referência da literatura e novos dados experimentais de um sensor SPR baseado em acoplamento óptico difrativo (DOCE). Os resultados mostram que a estrutura simula com precisão as respostas de bulk para NaOH e HCl. O algoritmo RLS alcançou ajustes com uma iteração média de 6, 1 × 10−5 s, mas produziu constantes cinéticas efetivas e não físicas. A PINN, por outro lado, identificou parâmetros cinéticos a partir de dados ruidosos com um erro relativo de 4-9%. O modelo heterogêneo recuperou com sucesso “mapas cinéticos” a partir de dados ruidosos. Adicionalmente, uma análise estatística forneceu prova quantitativa de que a calibração do sensor e a qualidade do material impactam criticamente a reprodutibilidade dos dados. Este trabalho entrega um conjunto validado de ferramentas para análise de SPR, desde a predição eficiente em tempo real até a caracterização fisicamente rigorosa de interações em superfícies heterogêneas usando métodos orientados por inteligência artificial.
Abstract: An extensive computational framework was developed and validated to model and address limitations in the analysis of Surface Plasmon Resonance (SPR) sensorgrams. The framework contemplates a model for bulk refractive index changes, a spatially-resolved model for surface heterogeneity, and advanced parameter estimation algorithms, e.g., Recursive Least Squares (RLS) for real-time analysis and a novel LSTM-based Physics-Informed Neural Network (PINN). Validation was performed using benchmark literature data and new experimental data from a diffractive optical coupling (DOCE)-based SPR sensor. The results show that the framework accurately simulates the bulk responses for NaOH and HCl. The RLS algorithm achieved fits with an average iteration of 6.1 x 10−5 s but yielded effective, non-physical kinetic constants. The PINN, however, identified kinetic parameters from noisy data with 4-9% relative error. The heterogeneous model successfully recovered "kinetic maps" from noisy data. Additionally, a statistical analysis provided quantitative proof that sensor calibration and material quality critically impact data reproducibility. This work delivers a validated suite of tools for SPR analysis, from efficient real-time prediction to physically rigorous characterization of heterogeneous surface interactions using AI-driven methods.
Keywords: Ressonância de plásmons de superfície
Sensorgramas
Adsorção de proteínas
Modelagem cinética
Variabilidade experimental
Redes neurais informadas pela física
Surface plasmon resonance
Sensorgrams
Protein adsorption
Kinetic modeling
Experimental variability
Physics-informed neural networks
???metadata.dc.subject.cnpq???: Engenharia Elétrica.
URI: https://dspace.sti.ufcg.edu.br/handle/riufcg/43502
Appears in Collections:Mestrado em Engenharia Elétrica.

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