بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، سه ساختار مبتنی بر میکرو تشدیدگرهای نوری حلقهای پلیمری برای حسگرهای زیستی نوری، مورد بررسی قرار گرفته اند که مشتمل بر دو موجبر مزدوج به یک، دو و سه تشدیدگر حلقهای با پلتفرم فرود/فزود میباشند. حساسیت کل سطح حسگر، برای ساختار اول با یک تشدیدگر حلقهای به شعاع 5 میکرومتر، برابر170 nm/RIU ، برای ساختار دوم با دو حلقه تودرتو مزدوج ، برابر153 nm/RIU و حساسیت ساختار سوم با سه حلقه 146 nm/RIU محاسبه شده اند. نسبت به چینش های مشابه برای حسگرها،در ساختارهای پیشنهادی، علاوه بر ابعاد کوچکتر ، حساسیت نسبت به کل سطح و حساسیت نسبت به سطح داخلی حلقه بالاتری ارایه شدهاند. همچنین توانایی سنجش ذره زیستی خاص و بهبود در انتخابپذیری، از طریق بررسی عملکرد حسگری تحت تاثیر پوشاندن سطح کوچکترین حلقه ساختار 2 و3 با لایه پذیرنده آنالیت خاص، از دیگر ویژگیهای حسگرهای پیشنهادی میباشند.
کلید واژه- حسگر زیستی، حسگر نوری، میکرو حلقه، میکرو حلقه مزدوج.
-1 مقدمه
حسگرهای زیستی مبتنی بر تشدیدگرهای حلقه نوری به عنوان یک ابزار تحلیلگری زیستی، به علت دارا بودن خواص ویژه، امکان کوچکسازی ابعاد و توانایی در تشخیص تغییر پارامترهای تشدیدی در اثر تغییرات ایجاد شده در خواص مواد و شکل هندسی میکرو حلقهها، به عنوان افزارههایی با قابلیت تشخیص اطلاعات کمّی ذرات زیستی ، در سالهای اخیر، موردتوجه تحقیقات بسیاری قرار گرفتهاند.[2-1] تلاش در زمینه بهبود پارامترهای عملکرد و مشخصات حسگرهای زیستی نظیر افزیش حساسیت، آسان سازی قابلیت حمل - - portable، بالا بردن قابلیت اطمینان، افزایش سرعت پاسخ، افزایش ایمنی تداخلی، سهولت در فرآیند تولید، کاهش ابعاد و کاهش قیمت صورت گرفتهاند و این تلاشها همچنان ادامه دارند.
مواد مختلفی از جمله سیلیکن و پلیمر در ساخت این حسگرها بکارگرفته شدهاند، اما بکارگیری پلیمرها نه تنها باعث کاهش یافتن هزینهها[3]، ارایه خواص نوری، الکتریکی، مغناطیسی و حرارتی ویژهای شده، بلکه ماتریسهای پلیمری به عنوان مواد جاذب و بسیار سازگار ذرات زیستی مانند آنزیمها و آنتیبادیها عمل مینمایند. در این مقاله، ساختار تک حلقه، دو و سه ساختار حلقه کوپل شده به هم از لبه داخلی، برای حسگرهای زیستی میکروکاواکهای حلقوی پلیمری با پلتفرم فرود/فزود ارایه شده است، که هم دارای ابعاد کوچکی با شعاعی کمتر از 5 میکرومتر بوده و هم درای خواص حساسیت حسگری بالکی بالایی نسبت به نمونه های ارایه شده پیشین میباشد.
-2 سازوکار عملکرد حسگر زیستی مبتنی بر میکروکاواکهای حلقوی
میکروکاواکهای حلقوی به علت دارا بودن تشدیدهای-های تیز در مشخصه طیف عبوریشان، کاندیداهای مناسبی برای کاربردهای حسگرهای زیستی نوری می-باشند. ساختار حسگرهای زیستی نوری مبتنی بر میکروکاواکها مطابق شکل 1، شامل یک موجبر نوری حلقهای و حداقل یک موجبر مستقیم مزدوج - coupled - به حلقه، میباشند، به طوری که وقتی موج نور از ورودی یک موجبر مستقیم، وارد ساختار می-شود، این نور در ساختار منتشر شده و از طریق موج ناپایدار - - evanescence wave به کاواک حلقوی تزویج میشود. هنگامی که شیفت فاز رفت و برگشت نور - round- trip - ، مضرب صحیحی از 2 و برابر 2 P باشد، موجها دارای تداخل سازنده بوده و در کاواک تشدید رخ میدهد .که در آن m عدد صحیح و نمایانگر تعداد مودها، L محیط کاواک حلقوی و neff ضریب شکست موثر مود انتشار میباشند. از معادله - 1 - درمییابیم که طول موج تشدید شدیدا وابسته به طول موج موثر میباشد، از طرفی، حضور مولکولهای زیستی، موجب ایجاد تغییراتی در ضریب شکست موثر میشوند، بنابراین ازطریق سنجش میزان تغییرات طول موج تشدیدres - - در طیف عبوری، میتوان میزان مولکولهایزیستی را اندازهگیری نمود، که مکانیسم عملکرد حسگرهای زیستی مبتنی بر میکروکاواکهای حلقوی بر همین اساس میباشند.
-3 ساختارهای پیشنهادی و نتایج شبیهسازی
در این مقاله، سه ساختار برای حسگرهای زیستی نوری مشتمل بر یک حلقه، دو حلقه تزویج شده از لبه داخلی و سه حلقه مزدوج، به طوری که حلقه بزرگتر به دو موجبر فرود/فزود تزویج باشد، به ترتیب در شکلهای1، - -2راست - و - -2چپ - ارایه شدهاند. در هر سه ساختارشکلهای 1 و 2، شعاع بیرونیترین حلقه برابر 5میکرومتر، پهنا و ضخامت همه حلقهها یکسان و برابر با پهنا و ضخامت موجبرهای مستقیم بوده که مقادیرشان به ترتیب برابر 0.6 و 0.1میکرومتر برای تک مود بودن، فاصله بین موجبر مستقیم از هر حلقه در ساختار شکل 1 برابر 0.3میکرومتردر نظر گرفته و فاصله حلقه ها از هم 0.1 میکرومتر فرض شدهاند. شعاع حلقه 2 و 3 به ترتیب نصف و 0.25 شعاع حلقه بزرگتر میباشند. موجبر مستقیم و حلقه هر دو از جنس پلیمری میباشند که ضریب شکست موثر برای ساختار تک حلقه شکل 1 برابر 1.51 فرض شدهاند. کلیه شبیهسازیها با استفاده از نرم افزار Comsol انجام شده و محاسبه ماتریس عبوری در خروجی Through برای قطبش TE صورتپذیرفتهاند.
در شکل 3 طیف عبوری بر حسب طول موج، برای سه طرح پیشنهادی طرحهای 1، 2 و 3 در حضور و بدون حضور گلوکز ارایه شدهاند، به طوری که مقادیر افت سه طرح در منحنیهای عبوریشان به ترتیب برابر -19.0812، - 14.310 و -14.196 بر حسب dB در طول موجهای تشدید 1.58753، 1.60027و 1.6084 میکرومتر میباشند. مشاهده میشود که طرح 1 با FSR برابر 53 نانومتری، در مقایسه با طرحهای 2 و 3، بالاترین مقدار افت و نرخ خاموشی Extinction - Ratio - ER - - را ارایه نموده است. زیرا در دو طرح 2و 3، تزویج نمودن حلقههایی به شعاعهای 2.5 و 1.25 میکرومتر به لبه داخلی حلقه بزرگتر 5میکرومتری، موجب ایجاد تلفات و در نتیجه کاهش ER در نمودار عبوریشان میشوند.
جهت بررسی اثرات حسگری هر سه ساختار، ترکیب گلوکز - ذره زیستی نمونه - محلول در آب با غلظت گلوکز 120 گرم بر لیتر، به محیط بالک وارد میشود. در طول موج 1.55 میکرومتر، ضریب شکست موثر ترکیب ذکر شده، برابر 1.3244 و ضریب شکست آب برابر 1.310 گزارش شده است.[5] سنجش میزان گلوکز، از طریق سنجش نسبت جابجایی طول موج تشدید در نمودار Through بر تغییرات ضریب شکست حاصله از حضور گلوکز،که این نسبت معرف پارامتر حساسیت بالکی حسگری میباشد، صورت میگیرد. با استفاده از نمودارهای ارایه شده در شکل 3، میتوان حساسیت و دیگر پارامترهای حسگری را سنجید. نسبت تغییرات ER به تغییرات ضریب شکست بیانگر شاخص برجستگی - FOM - به عنوان پارامتر حسگری، میباشد.
در طرح 1، مقادیر ER، تغییرات ER و FOM، به ترتیب برابر 17.8dB، 1.84dBو 92 dB/RIU بدست آمدهاند که در مقایسه با مقادیر تغییرات ER و FOM در طرح های 2 به ترتیب برابر 0.92dB و 46 dB/RIU و در طرح 3 برابر 0.37dB و 18.5 dB/RIU ، دارای مقادیر بالاتری میباشند. در جدول 1، جهت انجام مقایسه، میزان حساسیت بالک ساختارهای ارایه شده در مقالات پیشین، طرحهای 1، 2 و 3 ارایه شدهاند. مشاهده مینماییم که طرح 1 پیشنهادی، نسبت به کلیه مراجع 3-2]، [6-5 و طرحهای 2و 3 ،علاوه بر دارا بودن کوچکترین ابعاد، دارای مقادیر بالایی از حساسیت و FOM نیز میباشد. طرح 2 و 3 نیز حساسیت بالاتری از ساختارهای مراجع 3-2]
