بخشی از مقاله
چکیده - در این مقاله، طراحی یک زیستحسگر بر اساس تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده LSPR در نانو ساختار پلاسمونی ارائه شده است. تغییر ضریب شکست در محیط پیرامون نانوساختارهای پلاسمونی منجر به جابجایی طیف LSPR میشود. با افزایش ضریب شکست محیط، طیف تشدید LSPR این ساختارها جابجایی قرمز پیدا میکند. با استفاده از این ویژگی، میتوان اتصال ملکولها در سطح را بدون نیاز به برچسب گذاری قبلی شناسایی کرد. در این مقاله نانوساختار دمبل شکل جدیدی معرفی و امکان استفاده از آن در زیستحسگر نوری بررسی شده است. نتایج شبیهسازی عددی به روش FDTD دستیابی به حساسیت 1323nm/RIU با شاخص شایستگی 5/6 را نشان داده است.
-1 مقدمه
زیستحسگرها با قابلیت شناسایی سریع زیستملکولها در کاربردهای مختلف پزشکی مورد نیاز هستند.[1] زیستحسگرهای نوری به علت قدرت تشخیص و حساسیت بالا، اندازهی کوچک و صرفهی اقتصادی جایگزین مناسبی برای روشهای شناسایی سنتی هستند. یکی از زیست حسگرهای نوری که با پیشرفتهای روز کاملا سازگار بوده و میتواند گام بزرگی در توسعه شناسایی ملکولهای زیستی محسوب شود، زیست حسگر مبتنی بر تشدید پلاسمون سطحی است که طی سالهای اخیر توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است1]و.[2 در حوزه نانو ساختار های های پلاسونی، برهمکنشهای نور و ماده در ساختارهای فلزی در ابعاد کمتر از طولموج نور بررسی میشود. برهمکنش موج الکترومغناطیسی با نانوساختار از طریق جفتشدگی با الکترونهای آزاد سبب القا نوسانات جمعی میشود.
هنگامی که بسامد تابش الکترومغناطیسی با بسامد نوسانهای جمعی همخوانی داشته باشد، منجر به ایجاد مدهای پلاسمون مقید سطحی موسوم به تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده LSPR میشود. نانوساختارهای پلاسمونی شامل یک لایه فلز و یک لایه دیالکتریک پوشاننده هستند که در طیف خاموشی - پراکندگی و جذب - آنها قلههایی دیده می شود. قلههای تشدید LSPR به نوع فلز و دیالکتریک، شکل نانوساختار و به محیط پیرامون آن حساس هستند و تغییرات ضریب شکست ناشی از برهم کنشهای زیستملکولی در سطح حسگر را اندازهگیری میکنند.
5-2] تغییر ضریب شکست ناشی از برهمکنشهای زیستملکولی در سطح حسگر نانوساختار پلاسمونی باعث جابجایی طیف تشدید LSPR آن میشود، بنابراین اگر بتوان لایهای جاذب بر سطح نانوساختار پلاسمونی نشاند که زیستملکولهای هدف در محلول را جذب کند، میتوان از میزان تغییر ضریب شکست در سطح که وابسته به غلظت زیست ملکولهای هدف است برای شناسایی و تعیین میزان غلظت و حتی برهمکنشهای زیستملکولی در محلول استفاده کرد.
[6] در حوزهی رو به رشد پلاسمونیک، پژوهشهای گستردهای برای کاربردهای جدید در حوزه فناوری انجام شده است. از جمله این کاربردها، میتوان به استفاده از نانوذرهها و نانو ساختارهای پلاسمونی در فناوری سلولهای خورشیدی، نانواپتیک، زیستحسگرها و بسیاری از کاربردهای دیگر اشاره کرد[9-7] .در این مقاله، با بررسی مشکلات پیش رو، نانوساختار دمبل شکل جدیدی معرفی و اثرات تقویت میدان نوری در حسگر نوری مبتنی بر تغییرات ضریب شکست محیط پیرامون آن بررسی شده است.
-2 ساختار نانوساختار پیشنهادی
شکل 1، طرح وارهای از حسگر پلاسمونی مبتنی بر نانوساختار معلق در محلول را نشان میدهد. در این ساختار از طلا برای مدل سازی زیست-حسگر پلاسمونی استفاده شده است. با وجود این که نانوساختارها از جنس نقره حساسیت بهتری نسبت به تغییر ضریب شکست محیط نشان میدهند[10] اما به علت این که این فلز در محلولهای آبی اکسید میشود و ترکیباتی ایجاد میکند که رفتار پلاسمونی قابل قبولی از خود نشان نمیدهند، در این زیستحسگر از نانوساختار از جنس طلا استفاده شده است. شکل :1 نمای سه بعدی مدل زیستحسگر مبتنی بر نانوذرات معلق در محلول.d1 قطر نانوسیم مرکزی، R اختلاف شعاع نانو میله با نانودیسکهای موضعی، L1ضخامت نانودیسکها و L2 فاصله بین آنها و tb ضخامت لایه اتصال زیستملکولی در سطح زیستحسگر است. ثابت دیالکتریک هر لایه در شکل مشخص شده است.
-3 شبیه سازی نانوساختار پیشنهادی
برای تحلیل آثار میدان الکترومغناطیسی، از دادههای تجربی مدل جانسون و کریستی مربوط به بخشهای حقیقی و موهومی پذیرفتاری مختلط طلا در مدلسازی حسگر پلاسمونی به روش تفاضل محدود حوزه زمان - FDTD - استفاده شده است.[13-11] ضخامت لایهی اتصال زیستملکولی به طور یکنواخت در سطح زیستحسگر، tb=10nm در نظر گرفته شده است که به طور تقریبی کمتر از طول محوشوندگی میدان LSPR نانوساختار است.[14] محلولهای زیستی غیرجاذب و غیرمغناطیسی هستند در نتیجه برای شبیهسازی اثر تغییر ضریب شکست محیط در اثر برقراری اتصالات زیستملکولی سطحی، ضریب شکست کلی محیط پیرامون نانوساختار را در محدودهی ضریب شکست محلولهای زیستی تغییر می دهیم.
شبیهسازی با استفاده از نرم افزار lumerical، برای حل معادلات ماکسول به روشFDTD در حالت سه بعدی و با استفاده از یک منبع موج تخت در گستره طول موج 400-2200nm انجام شده است. برای محاسبهی طیف خاموشی، از نمایه میدان پراکنده شده و شدت میدان استفاده میکنیم.[15] برای اینکه انرژی الکترومغناطیسی تابیده شده به مرز جذب شود و بازتاب مرز کاهش یابد، از شرایط مرزی PML استفاده شده است. نوسان الکترونهای نوار رسانش با بسامدی برابر با بسامد موج الکترومغناطیسی تابشی منجر به ایجاد یک تشدید قوی LSPR در طیف نوری میگردد.
طولموج این تشدید به شکل نانوساختار، محیط پیرامون آن و جنس فلز به کار رفته بستگی دارد17]،.[16 تغییر ضریب شکست محلول پیرامون نانوساختار را میتوان معادل با جابجایی محل طولموج تشدید LSPR در نظر گرفت.[17] شکل2 مشخصه برانگیختگی نانوساختار با قطبش-TM موج تخت را نشان می دهد. در این شکل پیکان با رنگ ارغوانی، جهت تابش فرودی و پیکان با رنگ آبی، قطبش میدان را نشان میدهد.
شکل3 طیف سطح مقطع خاموشی نانوساختار پیشنهاد شده را با مشخصاتd1=40nm , R=60nm , L2=50nm , L1=40 nm و همچنین برای یک نانوکره طلای منفرد با شعاع 50nm در هوا - RI=1 - برای مقایسه را نشان میدهد. همانطور که در شکل مشاهده میشود، در طیف خاموشی نانوساختار طراحی شده یک قله در طولموج 507nm و یک قلهی قویتر در طول موج 856nm وجود دارد. درحالیکه در شکل -3ب، وجود یک تشدید قابل توجه و غالب در محدودهی طول موجهای بلندتر، 1910nmکاملاً مشهود است.
در شکل -4الف نتایج شبیهسازی جابجایی طیف خاموشی در نانوساختار پیشنهادی نسبت به تغییر ضریب شکست محلول زیستی در محدودهی 1/335 - 1/44، شامل جابجایی قلهی اول و دوم و در شکل-4ب جابجایی قلهی تشدید سوم، نشان داده شده است. همانطور که جهت جابجایی طیف نشان میدهد، افزایش ضریب شکست محیط سبب جابجایی قلههای تشدید LSPR به سمت طولموجهای بلندتر - جابجایی قرمز - میشود.
-4 حساسیت زیستحسگر طراحی شده
حساسیت زیستحسگر، نسبت جابجایی قلهی تشدید به میزان تغییر ضریب شکست محیط میباشد و طبق رابطه زیر تعریف میشود: در این رابطه، LSP - nm - جابجایی قلهی تشدیدLSPR ناشی از تغییر ضریب شکست محیط به اندازهی n است. بیشتر مطالعات در این زمینه، نشان دادهاند که جابجایی قلههای تشدید در طول موجهای مشابه منجر به حساسیت مشابه نسبت به تغییرات ضریب شکست محیط پیرامون نانوساختار میشوند.[18] بنابراین پیشبینی میشد که حساسیت تشدید اول به علت نزدیکی طولموج تشدید آن به طولموج تشدید نانوکره، در حدود حساسیت نانوکره طلا با شعاع 50nm خواهد بود و نتایج شبیهسازی نیز این موضوع را تایید کرد.
شکل : 4 جابجایی طیف خاموشی نانو ساختار پیشنهادی نسبت به تغییر ضریب شکست محیط در محدوده 1/335-1/44 الف - قلهی اول و دوم تشدید LSPR در محدوده طول موج 1400-400nm ب - تشدید سوم LSPR در محدوده طولموج 1700-2200 nm نشان داده شده است. نمودار حساسیت زیستحسگر طراحی شده نسبت به تغییر ضریب شکست محلول زیستی پیرامون، در شکل5 نشان داده شده است. برای قلهی اول تا سوم در طیف سطح مقطع خاموشی نانوساختار پیشنهادی، به ترتیب حساسیتهای 134nm/RIU - خاکستری - ، 652 nm/RIU - آبی - و1352 nm/RIU - قرمز - محاسبه شده است. برای نانوکره طلا با شعاع 50nm حساسیت 162nm/RIU - سبز - به دست آمده است که مطابق با نتایج تجربی میباشد.
[20-17] بنابراین، میتوان نتیجه گرفت که هرچه طولموج تشدید بزرگتر باشد، حساسیت بهتری را نسبت به تغییر ضریب شکست محیط پیرامون از خود نشان میدهد. به این ترتیب نتایج بسیار بهتر در قسمت سوم طیف و در طول موجهای بلندتر دیده میشود. شکل-3ب محل و شدت این تشدید را نشان میدهد. اختلاف دامنهی طیف سطح مقطع خاموشی سه قله به وضوح مشخص است و بهبود قابل توجه حساسیت شناسایی ملکولهای زیستی در قله-ی سوم طیف، مورد انتظار میباشد. قلهی تشدید سوم به علت دارا بودن طولموج بالا و FWHM اندک در طیف باعث شده است که این نانوساختار به شاخص شایستگی 5/6 - FOM - دست یابد.
