بخشی از مقاله
طراحی ازمایشگاهی جهت تشخیص نمونه های زیستی با اسفاده از سنسورهای با ساختارهای فوتونیک کریستال
چکیده: سنسورهای بیولوژیکی نوری دستگاه هایی قوی در تشخیص و تجزیه و تحلیل می باشند و همچنین کاربردهای زیادی در تحقیق های پزشکی بهداشت درمان و دارو دارند. این مقاله شامل طراحی از یک بیوسنسور مبتنی بر فوتونیک کریستال که به فرم یک مدار مجتمع نوری درامدهاست که میتواند نمونه های زیستی از جمله پروتئین ها ،DNAرا تشخیص دهد . کار تحلیلی با استفاده از روش FDTDحوزه زمان محدود صورت گرفته است. مدل سازی و طراحی بلور فوتونیک با کمک ابزار شبیه سازی Rsoftانجام شده است. نتایج شبیه سازی نشان می دهند که هر کدام از کاواک ها خود دارای یک طول موج می باشند و همچنین ساختار باندهای انرژیانها نشان می دهند که با یک تغییر کوچک در شاخص شکست یک تغییر در فرکانس و در نتیجه تغییر در طول موج مشاهده خواهیم نمود که از این رو آن ، به عنوان سنسور عمل می کند. واژه های کلیدی: بیوسنسور، فوتونیک کریستال، باند انرژی، شاخص شکست، کاواک
۱- مقدمه
سنسورهای بیولویکی خود شامل یک سیستم می باشند، که قادر هستنداطلاعات تحلیلی و کمی خاص را با استفاده از عنصرهای شناخت بیولوژیکی فراهم کنند، حسگرهای زیستی نوری توانایی تشخیص انالیتهای بیولوژیکی مانند (DNA)، پروتئین ها، و سلول ها را دارند. ایده نهفته در این مفهوم این است که مولکول های بیولوژیکی قابلیت گذردهی بزرگتری نسبت به آب و هوا دارند. در نتیجه این مواد می توانند سرعت انتشار امواج الکترو مغناطیسی را که از طریق آنها منتقل می شوند را کاهش دهند. این تغییر در سرعت انتشار نور به معنی این است که سیگنال قابل اندازه گیری متناسب با میزان موادزیستی است که بر روی سطح حسگر قرار می گیرد. در اینجا به تعدادی از روش های تشخیص اشاره خواهیم نمود از جمله:| ضریب شکست، برای تشخیص انالیت های زیستی. جذب نوری برای تشخیص انالیت ها در یک محلول وطيف سنجی رامان برای تشخیص (DNA می باشد مدارات مجتمع فوتونیک مبتني برساختارهای باند گپ.دستگاهی با حساسیت بالا را با توجه به مسیر یابی نور و پردازش آن، توسط یک مدار موجبر انجام می گردد، فراهم آورده اند پروتئین ها و همچنین سلول های خون شامل (گلبول های قرمز که حاوی هموگلوبین می توان اشاره نمود. بسیاری از بیماری ها می توانند کشنده باشند و تشخیص زود هنگام این بیماری ها می تواند باعث نجات جان بسیاری شود. برخی از روش های تشخیص موجود پیچیده ،وقت گیر و خسته کننده می باشند. یکی از روش ها مانند نظریه(میر )که به بررسی پراکندگی نور و جذب خواص خون انسان برای اهداف تشخیص پزشکی برای بدست اوردن رفتار نوری از خون تحت شرایط مختلف مانند اشباع اکسیژن و تداخل امواج سلول های همسایه اشاره دارد. در روش های مرسوم مثلا نمونه هایی از سلول های خون را آماده و به ازمایشگاه جهت تجزیه و تحلیل منتقل می کنند. زمان صرف شده با روش مرسوم ۲-۳ روز و یا حداقل ۲۴ ساعت می باشد که زمان بیشتری برای تجزیه و تحلیل طول می کشد که به هزینه تجزیه و تحلیل می افزاید. این نشان می دهد که نیاز به سنسور می تواند این تجزیه و تحلیل بیولوژیکی یا تشخیص را در یک زمان کوتاه تر انجام داد. همچنین فن آوری استفاده از سنسور علاوه بر هزینه کم، می توان به مصرف انرژی کم آن اشاره نمود.هدف نهایی از این مقاله طراحی یک سنسور به عنوان یک آزمایشگاه روی یک تراشه حسگر، برای تشخیص نمونه های زیستی می باشد. حسگر های مبتنی بر فوتونیک کریستال زمان پاسخ اندازه وهزینه سنسور را کاهش می دهد.
-تئوری
کریستال های فوتونیک یک ساختار دی الکتریکی متناوب می باشند. از ویژگی های مهم کریستال فوتونیک این است که انتقال امواج الکترومغناطیسی در یک طیف وسیعی از فرکانس ها به نام شکاف باند فوتونیک می باشد. انتشار پرتو نور از طريق کریستال فوتونیک و بدون پراکندگی برای بسیاری از طول موج ها ،اما برای بعضی از طول موج ها ، هیچ انتشار نوری از طریق کریستال فوتونیک نداریم و این خاصیت بلور فوتونی به نام گاف فوتونی است. کریستال فوتونی می تواند یک بعدی ،دو بعدی و سه بعدی باشد. کریستال های فوتونیکی در این مقاله برای طراحی یک سنسور در نظر گرفته شداند. طراحی با استفاده از بلورهای سه بعدی نیاز به توپولوژی پیچیده ای دارد. ساختار نوار انرژی برای کریستال فوتونیک، توسط همزمان قرار دادن فرکانس رزنانس در بردار (k) در برابر طول موج گاف فوتونی می تواند به عنوان عایق نوری باشد. برای کاربردهای سنجش این ویژگی گاف فوتونی می تواند مورد بررسی قرار گیرد. شکاف باند را می توان با کمک نقص و ایجاد تغییر در کریستال فوتونیک ایجاد نمود. مهندسی نقص اجازه می دهد که یک کنترل بر روی جریان نور در داخل کریستال فوتونیک داشته باشیم . انواع نقص نقص خطی، نقص نقطه به نقطه در اصل نقص نقطه ای به صورت یک تله عمل می کند و نقص خطی به عنوان یک موجبر در بلور های فوتونیک عمل می کند. انتشار نور در بلور های فوتونی توسط معادله ماکسول توضیح داده شده است.
در رابطه بالا( E) قابليت گذردهی(تایع دی الکتریک که هر کجا هست ضریب شکست و فرکانس تعریف شده است. معادله بالا(۱) می گوید که فرکانس معکوس و متنایی با تابع دي الکتریک . در اینجا ابزار شبیه سازی Rsoftبه ما کمک میکند تا با استفاده از روش FDTD برای محاسبه طيف انتقال استفاده شود. تشخیص استفاده نموده ایم و ان ها را به صورت یک مدار مجتمع فوتونیک پیاده سازی نموده ایم که آن می تواند به عنوان یک ازمایشگاه کلی در دسترس باشد. اما نحوه تشخیص در این سنسور به این صورت است که در هنگام عبور نور از درون مو جبر با توجه به اینکه هر microcavity با تله های نوری به خودی خود دارای طول موج خاصی می باشند. پس بنابراین در اینجا می توانیم چندین طول موج داشته باشیم و با توجه به تغییرات طول موج های مختلف می توان آن ماده مورد نظر را تشخیص داد. مثلا طول موج
میکرومتر محدوده طول موج پلاسمای خون و میکرومتر محدوده طول موج گلبول های قرمز یعنی با تغییرات در محدوده طول موج های که ذکر شده می توان آن ماده مورد نظر را تشخیص نمود.
شکل 1-نمونه ای از سنسور بیولوژیکی مبتنی بر ساختارهای فوتونیک کریستال و microcavity
شکل ۲- نمونه راد های کاشته شده در پس زمینه
مشخصات سنسور در اینجا از یک شبکه کریستالی شش ضلعی با ثابت شبکه
a = 465nm وشعاع رادها و همچنین شعاع درونی تله های نوری شاخص شکست پس زمینه هم متغیر است. که با توجه به مواد مختلف مقادیر مختلف به خود می گیرد همچنین شاخص شکست رادها N = 3.46می باشد.
ا- ۳ نتایج حاصل از شبیه سازی
شکل ۳- طیف انتقال کل سیستم
در شکل (3). طیف انتقالی مربوط به مدار مجتمع فوتونیک کریستال است. که با تجزیه و تحلیل این طیف در طول موج های خاص می توان به اطلاعات کمی ناشی از تشخیص دست یافت.
شکل ۴-ساختار باندی شبکه
شکل (۴). ساختار باندی مربوط به یک مدار مجتمع سنسورهای نوری فوتونیک کریستال است. محدوده های ممنوع را که نور نمی تواند در آن نواحی انتشار پیدا کند را نشان می دهد و همچنین با ایجاد نقص می توان تغییراتی در نواحی ممنوع و همچنین نواحی انتشار نور ایجاد نمود.
