بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، غلظت محلول گلوکز را که با ضریب شکست آن رابطهی خطی دارد، با یک حسگر تشدیدگر میکروحلقه اندازهگیری کردیم. ابتدا ساختار با روش تفاضل محدود حوزهی زمان - FDTD - در نرمافزار لومریکال ایجاد و با نتایج عملی به دست آمده از یک تحقیق در زمینهی مرتبط اعتبارسنجی شد. نتایج نشان داد طول موج تشدید ساختار با افزایش ضریب شکست محلول گلوکز، افزایش مییابد. بنابراین با اندازهگیری طول موج تشدید میتوان به ضریب شکست محلول و در نتیجه غلظت محلول دست یافت.
جهت افزایش حساسیت حسگر، ابتدا مادهی تشکیلدهندهی موجبر باس و حلقه تغییر داده شد که منجر به تغییر ضریب شکست آنها میشود. این تغییرات به نحوی اعمال شد که اختلاف ضریب شکست غلاف و ضریب شکست باس و حلقه کاهش بیابد. بار دیگر، حساسیت حسگر با ایدهی اضافه کردن حلقهی دومی، داخل و چسبیده به میکروحلقهی اصلی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج شبیهسازی نشان میدهد حساسیت حسگر %36/7 بهبود مییابد. بنابراین میتوان نتیجه گرفت، به لحاظ پارامتر حساسیت، به جای استفاده از ساختار متداول حسگرهای تشدیدگر میکروحلقه که یک میکروحلقه دارند، بهتر است از حسگری استفاده شود که دو میکروحلقهی درون هم دارد.
-1 مقدمه
تاکنون انواع بسیاری از حسگرهای نوری ارائه شده است که از میان آنها میتوان به حسگرهای تشدید پلاسمون سطحی [1]، حسگر با استفاده از فیبر نوری [2]، حسگر با استفاده از بلور فوتونی [3]، حسگرهای تشدیدگر حلقه [3]، حسگر با استفاده از موجبر نور-کند پلاسمونی [4]، حسگر مبتنی بر تداخلسنج ماخ-زندر [4]، و حسگر ممز [5] اشاره کرد. حسگر نوری قطعه غیرفعالی است که انواعی از کمیتهای فیزیکی خاص را به انواع قابل آشکارسازیای در شدت، فاز، یا طیف سیگنالهای نوری تبدیل میکند. در مقایسه با همتاهای مکانیکی و الکتریکی، چند مزیت توسط حسگرهای نوری نشان داده شده است. برای مثال، ادوات نوری به طور کلی پردازش سیگنال سرعت-بالا را فراهم میکند
امروزه استفاده از حسگرهای نوری در پزشکی رشد چشمگیری یافته است. تغییرات در میدان نوری میتواند برای پایش چسبندگی سلولی، جداشدگی، مرگ سلول، انقباض، و نیز تحریک واکنشهای مختلف داخل سلولی به کار رود که برای پایش با دیگر وسایل، بسیار چالشبرانگیز است .به ویژه، پایش منظم برخی پارامترهای زیستی از جمله قند خون در بیماران دیابتی و اکسیژن اشباع خون در افراد به اغما رفته از اهمیت ویژهای برخوردار است.
Washburn و همکاران پیشرفتهای مربوط به سالهای 2008 تا 2011 را در زمینه حسگرهای موجبر میکروتشدیدگر، بلور فوتونی و تداخلی برای کاربردهای حسگری زیستی lab-on-chip مرور کردهاند. این حسگرهای نوری مقیاس پذیر بوده و قابل مالتی پلکس کردن به صورت مجتمع هستند. اغلب فرمت اصلی سنسورهایی که بر اساس تغییر ضریب شکست کار میکنند، میکروحلقهای را نشان میدهند که به صورت افقی با یک موجبر خطی کوپل شده [6] اما برخی محققان مانند Kim و همکاران [7] روشهایی ابداع کردهاند که از کوپل کردن عمودی استفاده میکنند.
تعدادی از محققان از حسگرهای تشدیدگر حلقه برای اندازهگیری غلظت گلوکز و یا دیگر مولکولهای بیوشیمی استفاده کردهاند
در تشدیدگرهای میکروحلقه، تغییر ضریب شکست محیط، طول موج تشدید در کاواک را تغییر میدهد. از این حسگرها میتوان برای تشخیص اهداف بیولوژیکی مختلف مانند پروتئین، نوکلئیک اسیدها، ویروسها، مولکولهای کوچک استفاده کرد. از مزایای تشدیدگرهای میکروحلقه برای کاربردهای حسگری زیستی میتوان به مقیاس پذیری، حساسیت و تطبیق پذیری اشاره کرد
Kim و همکاران از تشدیدگر میکروحلقهای استفاده کردهاند که به صورت عمودی با موجبر باس کوپل شده است .[7] در تحقیق Kim و همکاران [7]، جابجایی طول موج تشدید یک رابطهی خطی با تغییر ضریب شکست دارد. به همین دلیل ضریب شکست آنالیت که متناسب با غلظت محلول است، از روی مقدار جابجایی طول موج تشدید، قابل تخمین است
دو روش اولیه آشکارسازی میکروتشدیدگر یعنی »اندازهگیری شیفت طیفی«، و »اندازهگیری تغییر شدت در یک یا مجموعهای از طول موجها« در مقاله Kim و همکاران به صورت آزمایشگاهی مقایسه شده است .[10] تشدیدگر کوپل شده عمودی نسبت به کوپل جانبی، بهتر تطبیق می یابد. زیرا حساسیت حسگر وابسته به ضخامت غلاف است و قدرت کوپل بین قرص و باس مربوط به وجود آنالیت نیست، در غیر اینصورت خطاهای اندازهگیری وخیمی بر اساس تغییر شدت ایجاد میشود . مزیت دیگر پیکربندی کوپل عمودی در حسگری بیوشیمی این است که ناحیه کوپلینگ کاملا از آنالیت ایزوله است
در فصل بعدی، ساختار حسگر انتخابی از کار Kim و همکاران [7] را شرح میدهیم و مفاد مقالهی مد نظر تشریح میشود. سپس شبیهسازی ساختار حسگر انتخابی شرح داده شده و ساختار حسگر در نرمافزار لومریکال تولید شده، به استخراج دادههای مورد نیاز میپردازیم. نتایج به دست آمده هر قسمت با نتایج عملی مقالهی مرجع مقایسه میشود. سپس جهت بهبود حساسیت این حسگر، تغییراتی در ماده تشکیل دهندهی آن ایجاد کرده و نتایج را با خروجی مقاله مقایسه میکنیم. در انتها سه ساختار جدید مبتنی بر ساختار تشدیدگر میکروحلقه پیشنهاد میشود که از لحاظ امکان افزایش حساسیت حسگر مورد بررسی قرار میگیرد. در فصل آخر در مورد نتایج به دست آمده بحث خواهد شد.
-2 شبیهسازی ساختار حسگر انتخابی
در اینجا از یک حسگر تشدیدگر حلقه برای اندازهگیری غلظت گلوکز استفاده شده و نتایج به دست آمده از شبیهسازی، با مقاله Kim و همکاران [7] مورد اعتبارسنجی قرار گرفت. توضیح آنکه در تحقیق Kim و همکاران، حسگر مذکور ساخته شده و نتایج آن به صورت عملی مورد بررسی قرار گرفته و گزارش شده است. اما در مقالهی حاضر، ساختار پیشنهادی Kim و همکاران را در نرمافزار لومریکال شبیهسازی کرده و نتایج شبیهسازی استخراج، بررسی و گزارش شده است. در حسگرهای تشدیدگر، جابجایی طول موج تشدید یک رابطهی خطی با تغییر ضریب شکست دارد.
از طرفی ضریب شکست محیط - آنالیت یا همان محلول گلوکز - با غلظت گلوکز رابطهای کاملا خطی دارد. بنابراین، آشکارسازی میزان غلظت محلول گلوکز، با اندازهگیری شیفت طیفی مشخص میشود. مقاله Kim و همکاران [7] بعد از این، به صورت »مقالهی مرجع« مورد اشاره قرار میگیرد. ساختار پیشنهادی Kim و همکاران که مورد شبیهسازی این مقاله قرار گرفته، یک میکروحلقه است که با یک موجبر باس به صورت عمودی کوپل شده است
شکل :1 طرحواری ای از ساختار حسگر مورد استفاده در مقاله مرجع [7]
بر اساس مقالهی مرجع [7]، میکروحلقه و باس در شکل 1 از جنس پلیمری با ضریب شکست 1/43 و غلاف باس یک پلیمر دیگر با ضریب شکست 1/375 تشکیل شدهاند. آنالیت، محلول گلوکز است که در ابتدا آب دیونیزه با ضریب شکست 1/3334 در نظر گرفته میشود و سپس با سوییپ روی غلظت گلوکز - از 0 تا - mg/dL 350 که تغییر ضریب شکست آنالیت را تا 1/3339 به دنبال دارد، شبیهسازی ادامه مییابد. ابعاد کلی ساختار در حدود 1100 در 1100 در 500 میکرومتر است. اما به دلیل حجم بالای لازم برای پردازش، در شبیهسازی خطای نرمافزار رخ داد و جهت رفع آن، ابعاد ساختار تغییر داده شد. ابعاد کلی ساختار در حدود 1100 در 1100 در 500 میکرومتر بود که به 14 در 14 در 10 بزرگتر از FSR در مقالهی مرجع باشد.
اختلاف طول موج تشدیدها از طول موج تشدید آب دیونیزه جهت استخراج طول موج تشدید آب دیونیزه - غلظت صفر بر حسب غلظتهای مختلف در شکل 3 آورده شده است. در محلول گلوکز - با تنظیم ضریب شکست آنالیت - محلول گلوکز روی شبیهسازی، غلظتهای 0، 60، 120، 180، 240 و mg/dL 300 حسگر - و تنظیم بازهی طول موج مورد نظر، توان نوری خروجی از به صورت خطی متناظر با ضریب شکستهای 1/3334، 1/3335، حسگر اندازه گرفته شد و شکل - b - 2 به دست آمد. 1/3336، 1/3337، 1/3338 و 1/3339 لحاظ شده است.
شکل - a :2 نمودار توان خروجی بر حسب طول موج در مقاله مرجع - b .[7] نمودار توان نوری خروجی از موجبر باس بر حسب طول موج منبع.
شکل - a :3 غلظت محلول گلوکز که متناظر با ضریب شکست آنالیت است، بر حسب اختلاف طول موج تشدید در هر غلظت، با طول موج تشدید در غلظت صفر - آب دیونیزه - که ضریب شکست 1/3334 دارد. - از مقاله مرجع - [7]؛ - b غلظت گلوکز بر حسب تغییر طول موج تشدید در غلظتهای 0، 60، 120، 180، 240 و mg/dL 300 متناظر با ضریب شکستهای 1/3334، 1/3335، 1/3336، 1/3337، 1/3338 و .1/3339
همانطور که از مقایسه شکل - a - 2 و شکل - b - 2 مشاهده میشود، فاصلهی بین طول موجهای تشدید در مقالهی مرجع حدود 0,67 نانومتر و در شبیهسازی، 14 نانومتر است. لازم به توضیح است در برخی تحقیقات [12] فاصلهی بین طول موجهای تشدید - اعم از دره یا قله - ، »بازهی طیفی آزاد - FSR - « نامیده میشود و یک معیار شایستگی برای سنجش و مقایسه است. هر چه FSR بیشتر باشد، افزاره مناسبتر است زیرا دقت سیستم اندازهگیری بالا رفته و خطای آن کمتر میشود. همانطور که پیشتر ذکر شد، ابعاد ساختار در شبیهسازی کاهش پیدا کرده و شعاع میکروحلقه نیز از 400 میکرومتر به 4/9 میکرومتر کاهش پیدا کرده است.
بنابراین انتظار میرفت FSR در نتایج شبیهسازی از مقایسه شکل a - که خروجی شبیهسازیهای مقالهی حاضر - و شکل b - که خروجی عملی مقاله مرجع است - از شکل 3، تشابه نسبتا نزدیکی قابل مشاهده بوده و هر دو در مرتبه پیکومتر است. اختلاف در طول موج تشدید در نتایج شبیهسازی - شکل - 3، حداکثر به 50 پیکومتر برای غلظت 300 رسیده و در مقاله مرجع، حدود 80 پیکومتر است. روند کلی نمودار در هر دو شکل تقریبا خطی است.
جهت دستیابی به حساسیت بالاتر، ضریب شکست موجبر باس و میکروحلقه تغییر داده شد - کاهش یافت - تا اختلاف ضریب شکست بین غلاف باس و باس و حلقه کاهش یابد
