بخشی از مقاله
چکیده
در این کار، یک حسگر زیستی با استفاده از بلورهای فوتونی یک بعدی طراحی شده است. بلور فوتونی مورد استفاده متشکل از لایه های A وF است که به ترتیب ZnSe و کانالی است که امکان جاری شدن سیال حاوی مادهی زیستی را فراهم میکند. علاوه بر این، یک لایهی نقص که دارای تابع توزیع ضریب شکست شعاعی است، در مرکز بلور فوتونی قرار میگیرد.
با تابش نور تخت به ساختار بلور فوتونی معرفی شده، شدت نور خروجی توزیع فضایی پیدا کرده و در صفحهی خروجی حلقههای روشن پدیدار میشود. شعاع این حلقهها حساسیت زیادی به ضریب شکست سیال جاری در کانالها دارد. با تغییرات ضریب شکست سیال به اندازهی n 5 10 5 RIU تغییرات قطر حلقه عبارت است از d که با روشهای تصویربرداری موجود قابل تشخیص میباشد.
مقدمه
در سالهای اخیر مطالعات گستردهای در زمینهی حسگرهای زیستی انجام شده است. از این میان حسگرهای نوری از اهمیت زیادی برخوردار میباشند و ساختارهای فوتونی متعددی جهت طراحی حسگرها به کار گرفته شده است1]، .[2 حسگرهای زیستی مبتنی بر پلاسمون های سطحی[5-3] و بلورهای فوتونی [8-6] به صورت وسیعی مورد مطالعه قرار گرفتهاند. در حسگرهای مبتنی بر پلاسمونهای سطحی، برهمکنش آنالیت با لیگاندهای تثبیت شده بر روی سطح فلز منجر به تغییرات ضریب شکست محیط اطراف سطح شده که توسط مدهای تشدیدی پلاسمونهای سطحی شناسایی میشوند.
این نوع از حسگرها شامل محدودیتهایی از جمله شناسایی مولکولهای کوچک میباشند و یا در مواردی که جرم اندکی از آنالیت بر سطح مینشیند امکان شناسایی آن از طریق این نوع از حسگرها دشوار میباشد.[4] از طرف دیگر، تشدید نوری جایگزین مناسبی برای تشدید پلاسمونهای سطحی جهت طراحی حسگر زیستی محسوب میشود. حسگرهای زیستی مبتنی بر بلورهای فوتونی مثالی از این نوع حسگرها هستند. بلورهای فوتونی ساختارهایی متناوب متشکل از مواد با ضرایب شکست مختلف هستند که دارای ویژگیهای خاصی میباشند.
باند گاف فوتونی یکی از مهمترین ویژگیها است که در واقع به محدودهای از فرکانسها اطلاق میشود که مجوز عبور از ساختار را نمییابند.[11-9] در این کار، یک حسگر زیستی مبتنی بر بلور فوتونی یک بعدی معرفی میشود که یک لایهی نقص با تابع توزیع ضریب شکست شعاعی در مرکز آن قرار دارد. با استفاده از این حسگر امکان شناسایی تغییرات ضریب شکست سیال حاوی مواد زیستی در طول زمان فراهم میشود.
روشهای محاسباتی
ساختار بلور فوتونی مورد استفاده جهت طراحی حسگر زیستی عبارت است از: - FA - 8 D - FA - 8 که نمایی از آن در شکل 1 نمایش داده شده است. همان طور که در این شکل پیداست F نمایشگر کانالهایی است که سیالهایی حاوی مادهی زیستی با ضرایب شکست مختلف در آنها جریان پیدا میکنند و A مادهای است که حد فاصل بین کانالها را تشکیل میدهد و در این کار ZnSe با ضریب شکست 2.6 nA در نظر گرفته شده است.
طیف عبوری محاسبه شده توسط روابط فوق بر حسب فرکانس نرمال شده و فاصلهی عرضی y ، در حال که سیالی با ضریب شکست 1,333 در کانال ها جاری است در شکل 2 نمایش داده شده است. منطقهی تاریک وسط نمایشگر باند گاف فوتونی است و منحنی روشن داخل آن مدهای نقص را نشان میدهد که در نتیجهی حضور لایهی نقص ایجاد شده است. وجود چنین مدهای نقصی حاکی از آن است که به ازای محدودهای خاص از فرکانسها در مکانهای مختلف عبور خواهیم داشت.
با انتخاب یکی از فرکانسها در محدودهی مدهای نقص و تابش نور تخت با فرکانس مزبور به ساختار، شدت نور خروجی یک توزیع فضایی پیدا میکند که به توزیع ضریب شکست لایهی نقص بستگی دارد. شکل : 2 طیف عبوری از ساختار بر حسب فرکانس نرمال شده و فاصلهی عرضیy به ازای جاری شدن سیالی با ضریب شکست 1,333 در کانالها. ناحیهی سیاه رنگ در وسط نمایشگر باند گاف فوتونی و خط منحنی سفید رنگ نمایشگر مدهای نقص وابسته به مکان میباشند.
در نتیجهی حضور لایهی نقص معرفی شده در این ساختار، شدت نور خروجی توزیع حلقوی پیدا میکند و از این رو در صفحهی خروجی حلقهی نور مشاهده خواهیم کرد که شعاع آن حساسیت بالایی به ضریب شکست سیال جاری در کانال ها دارد. شکل 3 نمایشگر توزیع شدت در صفحهی خروجی به ازای حضور دو سیال با ضرایب شکست مختلف در کانالها است. نکته ی حائز اهمیت در ارتباط با حساسیت حسگر طراحی شده این است که با ایجاد کوچکترین تغییراتی در ضریب شکست سیال جاری در کانالها، شعاع حلقهی نور خروجی تغییر میکند.
اما، آنچه موجب ایجاد محدودیت میشود حد تشخیص روشهای تصویربرداری موجود است. یکی از بهترین روشها، روش مبتنی بر اسکن پروفایل باریکه مانند BeamR2 وBeamMap2 است. با استفاده از این روش، امکان تشخیص باریکه با قطر 2 m وجود دارد.[13] شکل : 3 نمای سه بعدی از شدت نور خروجی نرمال شده بر حسب فواصل عرضی x و y برای باریکهی تابشی با فرکانس 1.001 0 و سیالهایی با ضرایب شکست 1,33310 - حلقهی کوچکتر - و 1,33415 - حلقهی بزرگ تر - . در نتیجه، جهت تعیین حد تشخیص حسگر زیستی معرفی شده مبنا را این روش تصویربرداری قرار میدهیم.
شکل 4، توزیع شدت نرمال شده بر حسب فاصلهی عرضی x در ناحیهی مثبت محور x ها را به ازای سیال هایی با ضرایب شکست مختلف نمایش میدهد. همان طور که این شکل نشان میدهد با تغییرات ضریب شکست سیال به اندازهی n 1 10 4 RIU ، تغییرات قطر حلقه d 4.2 m است. همچنین، تغییرات قطر حلقه 2.2 m d در نتیجهی تغییرات ضریب شکست 5 10 5 RIU n ایجاد میشود که تشخیص این میزان از تغییرات قطر توسط روش تصویربرداری مذکور امکانپذیر است.
