وبلاگ

۲-۳-۳- برانگیختگی میدان نزدیک^[۳۵]:
روش­های برانگیختگی مثل جفت­شدگی به وسیله منشور و شبکه، پلاریتون-پلاسمون­های سطحی را روی یک ناحیه ماکروسکوپیک که ابعاد آن در حدود طول موج برخوردی تعریف می­ شود، تحریک می­ کنند. در مقابل روش­های میکروسکوپی نوری میدان نزدیک، یک تحریک جایگزیده برای پلاریتون-پلاسمون­های سطحی روی یک ناحیه به وجود می ­آورد و می ­تواند به عنوان یک منبع نقطه­ای از پلاریتون-پلاسمون­های سطحی به کار برده شود. شکل (۲-۷) یک نمونه از این روش را نشان می­دهد.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل ۲- ۷: نمایش شماتیک روش برانگیختگی میدان نزدیک
یک فیبر نوک تیز و نازک با اندازه روزنه سطح یک فیلم فلزی نزدیک به خودش را روشن می­ کند. به دلیل کوچکی اندازه روزنه، نور خارج شده از نوک تیز، شامل مولفه­های بردار موج می­ شود. بنابراین مطابقت فازی برای برانگیختگیپلاریتون-پلاسمون­های سطحی با ثابت انتشار به وجود می ­آید. در این روش به این دلیل که می­توان به راحتی موقعیت فیبر را به راحتی تغییر داد، پلاریتون-پلاسمون­های سطحی در هر مکان دلخواه در سطح فلز می­توانند تحریک شوند.
۲-۴- نانوپلاسمونیک
در این قسمت به طور مختصر، به معرفی پلاسمون­های سطحی جایگزیده و در فصل ۴ به بررسی با جزئیات بیشتر می­پردازیم. همان­طور که در قسمت­ های قبلی این فصل بیان شد، پلاریتون-پلاسمون­های سطحی امواج الکترومغناطیسی می­باشند که بر اثر جفت­شدگی نور برخوردی با نوسانات پلاسمای الکترونی فلز به وجود می­آیند، در سطح مشترک فلز-دی­الکتریک منتشر می­شوند و به صورت نمایی نیز افت می­ کنند. از طرف دیگر پلاسمون­های سطحی جایگزیده، نوسانات بدون انتشار الکترون­های آزاد نانوساختارهای فلزی می­باشند که با میدان الکترومغناطیسی جفت شده ­اند. این مدها به دلیل پراکندگی میدان الکترومغناطیسی توسط نانوذرات رسانای کوچک به وجود می­آیند. در واقع سطح انحنادار نانوذرات، یک نیروی دافعه به الکترون­ها وارد می­ کند و عملا یک تشدید رخ می­دهد و سبب تقویت میدان در داخل محیط بسیار نزدیک نانوذره در حد چند برابر می­ شود. شکل (۲-۸) به طور شماتیک فرایند توصیف شده در بالا را نشان می­دهد.
شکل ۲- ۸: نمایش شماتیک تولید پلاسمون سطحی جایگزیده
ویژگی دیگر پلاسمون سطحی جایگزیده این است که به دلیل انحنای نانوذرات و قابلیت نفوذ میدان به داخل آن­ها، این پلاسمون­ها از طریق نور معمولی قابل برانگیخته شدن می­باشند در حالی که برای برانگیختگی پلاریتون-پلاسمون­های سطحی همان­طور که در قسمت قبل بیان شد احتیاج به روش­های خاص می­باشد.
در این پایان نامه برهم­کنش نانوذره فلزی با میدان برخوردی از طریق بررسی طیف خاموشی^[۳۶] آن مورد بررسی قرار می­گیرد. به دلیل جفت­شدگی نوسان الکترون­ها با میدان برخوردی، در یک طول موج خاص یک بیشینه قابل توجه در طیف خاموشی آن مشاهده می­ شود [۳۹]. طول موجی که این اتفاق رخ می­دهد، طول موج طولی پلاسمونی^[۳۷] نامیده می­ شود. این طول موج به عوامل متعددی مانند شکل نانوذره، ابعاد و ساختار آن و همچنین ضریب شکست محیط اطراف آن بستگی دارد [۴۰] و بنابراین می ­تواند به عنوان یک خصوصیت مهم برای ساخت حسگر مورد استفاده قرار گیرد. برای فلزات طلا و نقره و تا حدی مس طول موج طولی پلاسمونی در ناحیه مرئی طیف الکترومغناطیسی قرار می­گیرد و موارد استفاده آن را بسیار بالا می­برد.
۲-۵- حسگر زیستی^[۳۸]:
واژه حسگر زیستی برای اولین بار در سال ۱۹۷۵ مطرح شد. امروزه شاخص­ترین نوع حسگر زیستی، حسگر گلوکز است که توزیع گلوکز را به صورت یک سیگنال الکترونیکی نشان می­دهد. در تعریف حسگر زیستی، در ابتدا بیان شد که هر وسیله کوچکی که قادر به گزارش یک پارامتر در داخل بدن انسان باشد یک حسگر زیستی است. اما بر اساس این تعریف، یک دماسنج که دمای بدن انسان را نشان می­دهد یک حسگر زیستی می­باشد. در تعریف مزبور، حسگر زیستی وسیله­ای شامل یک جز زیستی (بافت، ریزجاندار^[۳۹]، آنزیم و …) و یک مبدل شیمی فیزیکی می­باشد. برهم­کنش بین هدف و ماده زیستی یک تغییر شیمیایی یا فیزیکی را تولید می­ کند که توسط مبدل مشاهده می­ شود.
برای ساخت حسگر زیستی و اندازه ­گیری خواص اصلی مولکول­ها مانند جرم، ضریب شکست و یا توزیع بار[۴۱]، روش­هایی مانند انکسارسنجی، استفاده از پلاسمون­ها، اثرات نوری-گرمایی و غیره وجود دارد. در این میان و از طریق تحقیقی که در سال ۱۹۸۰ در دانشگاه توئنته هلند انجام شد، مشخص شد که از بین این روش­ها استفاده از پلاسمون­ها دارای قابلیت ­های بیشتر و بهتر می­باشد[۴۲]. در سال ۱۹۸۳ نیز اولین حسگر برای بررسی برهم­کنش مولکول­های زیستی با بهره گرفتن از خواص پلاسمون­ها، توسط لاندمسترم ساخته شد[۴۳]. در سال ۱۹۹۰ نیز حسگر فارمیسیا به عنوان اولین نوع تجاری این حسگر ساخته شد. این حسگر بسیار پیشرفته، حساس، دقیق و قابل اطمینان برای بررسی برهم­کنش­های بین مولکولی به صورت موضعی بود[۴۴].
با بررسی تغییرات در بسیاری از خصوصیات پلاسمون­ها می­توان حسگر ساخت. در این پایان نامه به بررسی حسگر­های پلاسمونیک محیط دی­الکتریک اطراف می­پردازیم. در این نوع حسگر­ها تغییر در طیف خاموشی، پراکندگی و یا جذب نانوبلور، برای تشخیص مولکول یا پروتئین هدف استفاده می­ شود. دلیل این تغییر نیز، تغییر در محیط دی­الکتریک اطراف نانوبلور فلزی می­باشد. یک نمونه این تغییر در محیط دی­الکتریک، جمع شدن مولکول­ها بر روی سطح نانوبلور می­باشد که سبب یک افزایش در ضریب شکست نانومحیط اطراف نانوبلور می­ شود.
قبل از بررسی این نوع حسگر­ها یک توضیح مختصر در مورد حسگر­های ساخته شده با بهره گرفتن از پلاریتون-پلاسمون­های سطحی داده می­ شود. دلیل این امر، شباهت زیاد این حسگرها با حسگرهای با بهره گرفتن از پلاسمون­های سطحی جایگزیده می­باشد و البته این­که این نوع حسگر پانزده سال زودتر ساخته شده است.
همان­طور که در قسمت (۲-۲) بیان شد، ثابت انتشار پلاریتون-پلاسمون­های سطحی به تغییرات ضریب شکست محیط اطراف وابسته می­باشد و از این خاصیت می­توان برای ساخت حسگر استفاده کرد. تغییر در ضریب شکست باعث تغییر در ثابت انتشار پلاریتون-پلاسمون­های سطحی می­ شود که این تغییر مطابق شکل (۲-۱)، شرایط برخورد خط نور و رابطه پاشندگی پلاریتون-پلاسمون­های سطحی را تغییر می­دهد. این تغییر نیز خود را در قالب یک تغییر در خصوصیت موج برخوردی برهم­کنش کننده با پلاریتون-پلاسمون­های سطحی نشان می­دهد. وابسته به این­که کدام خصوصیت موج نوری مورد اندازه ­گیری قرار می­گیرد، این نوع حسگر­ها به صورت زیر به چند دسته تقسیم می­شوند: ۱- تغییر در زاویه جفت شدگی، ۲- تغییر در طول موج جفت شدگی، ۳- تغییر فاز، ۴- تغییر شدت و ۵- تغییر قطبش.
در حسگر با مدولاسیون زاویه­ای، قدرت جفت­شدگی موج تخت برخوردی که باعث برانگیختگی پلاسمون­ها می­ شود برای زوایای مختلف برخورد اندازه ­گیری می­ شود و زاویه­ای که قوی­ترین جفت شدگی در آن اتفاق می­افتد به عنوان خروجی حسگر مورد استفاده قرار می­گیرد [۴۵] (شکل ۲-۹، سمت چپ).
شکل ۲- ۹: راست: عملکرد حسگر با بهره گرفتن از مدولاسیون طول موج. چپ: عملکرد حسگر با بهره گرفتن از مدولاسیون زاویه­ای
در حسگر با مدولاسیون طول موج، تحت زاویه برخورد ثابت، موج با طول موج­های مختلف برای برانگیختگی پلاسمون­ها مورد استفاده قرار می­گیرد و طول موجی که برای آن قوی­ترین جفت شدگی اتفاق می­افتد به عنوان خروجی حسگر استفاده می­ شود [۴۶].(شکل ۲-۹، سمت راست)
در حسگر با مدولاسیون شدت [۴۷]، فاز [۴۸] و قطبش [۴۹] نیز به ترتیب شدت، تغییر فاز و تغییر قطبش موج نوری برهم­کنش کننده با پلاریتون-پلاسمون­های سطحی تحت زاویه برخورد ثابت و طول موج ثابت به عنوان خروجی حسگر مورد استفاده قرار می­گیرد.در ادامه به طور مختصر پارامترهای اصلی این نوع حسگر­ها بیان می­ شود:
حساسیت^[۴۰] یک حسگر به صورت نسبت تغییر در خروجی حسگر به مولفه مورد اندازه ­گیری تعریف می­ شود:
(۲-۳۰)
در حسگر­های پلاسمونی مولفه مورد اندازه ­گیری ضریب شکست است بنابراین، این رابطه به صورت زیر نوشته می­ شود:
(۲-۳۱)
تفکیک­پذیری^[۴۱] یک حسگر به صورت کوچکترین تغییر در مولفه قابل اندازه ­گیری که از طریق خروجی حسگر قابل مشاهده باشد تعریف می­ شود. در حسگر­های پلاسمونی معادل این واژه، حد مشاهده^[۴۲](LOD) می­باشد. LOD، به صورت میزان تجمع مولکول­ها که از طریق کوچکترین اندازه ­گیری ممکن برای خروجی حسگر به دست می ­آید و مقدار قابل قبول و دقیقی نیز باشد تعریف می­ شود.
دقت^[۴۳] حسگر نیز به صورت نزدیکی مقدار انداز­ه­گیری شده به مقدار واقعی تعریف می­ شود و معمولا برحسب درصد خطا برای هر حسگر تعریف می­ شود.
قابلیت تکثیر^[۴۴]، توانایی حسگر برای تکرار اندازه ­گیری قبلی تحت شرایط یکسان در طول زمان تعریف می­ شود.
محدوده دینامیکی^[۴۵] نیز محدوده­ای از مولفه مورد اندازه ­گیری می­باشد که توسط حسگر قابل اندازه ­گیری می­باشد.
از نقطه نظر تاریخی نیز، در سال ۱۹۷۸ پوکرند^[۴۶] و همکاران متوجه قابل تنظیم بودن فرکانس پلاسمون­های سطحی ناشی از یک فیلم نقره­ای با لایه­ای پوشیده شده از پروتئین شدند[۵۰]. در سال ۱۹۸۳ لیدبرگ^[۴۷] و همکاران از این اثر برای ساخت حسگر زیستی استفاده کردند[۵۱]. شکل(۲-۱۰) اساس ساخت این حسگر را نشان می­دهد. در این شکل c سرعت نور و مولفه موازی با سطح مشترک فلز با دی­الکتریک اطراف می­باشد.
شکل ۲- ۱۰: اصول ساخت حسگر بر پایه پلاریتون-پلاسمون سطحی.
همان­طور که در مورد رابطه پاشندگی پلاسمون­های سطحی بیان شد (رابطه ۲-۲۷) تغییر ثابت دی­الکتریک، سبب تغییر در رابطه پاشندگی می­ شود. با بهره گرفتن از روش ­های برانگیختگی پلاریتون-پلاسمون­های سطحی که در قسمت (۲-۳) بیان شد، نور منعکس شده از فیلم نقره دارای یک شدت کمینه در فرکانس متناطر با نقطه قطع خط نور و رابطه پاشندگی پلاریتون-پلاسمون­ها می­ شود. تغییر در رابطه پاشندگی به دلیل تغییر در ثابت دی­الکتریک، باعث جابجایی فرکانس متناطر با این نقطه تقاطع و جابجایی کمینه شدت نور منعکس شده می­ شود و اثر پروتئین یا مولکول و خواص آن قابل تشخیص می­باشد.
۲-۵-۱- ساخت حسگر زیستی با بهره گرفتن از پلاسمون سطحی جایگزیده
شکل (۲-۱۱) تاثیر ضخامت یک لایه پروتئینی بر قله پلاسمونی یک نانوبلور را نشان می­دهد[۵۲].
شکل ۲- ۱۱: تغییرات طول موج تشدید پلاسمونی نسبت به ضخامت لایه پروتئینی [۵۲]
همان­طور که این شکل نشان می­دهد، جمع شدن بیشتر پروتئین حول نانوبلور سبب جابجایی بیشتر قله پلاسمونی و همچنین جابجایی طیف خاموشی، پراکندگی و یا جذب نانوبلور به سمت طول موج­های قرمز می­ شود. مطلب دیگری که از این شکل استباط می­ شود این است که با افزایش ضخامت، جابجایی قله پلاسمونی به یک حد اشباع می­رسد و ادامه افزایش ضخامت لایه پروتئینی جابجایی بیشتری را به همراه نخواهد داشت که این یافته بیان کننده این مطلب است که این برهم­کنش تنها با مولکول­های نزدیک به سطح نانوبلور انجام می­ شود. از یک نقطه نطر می­توان این نوع حسگر را به دو دسته حسگر آنسامبلی و حسگر تک نانوبلور تقسیم کرد.
۲-۵-۲- حسگر آنسامبلی
در این نوع حسگر از آنسامبلی از نانوبلور­ها برای ساخت حسگر استفاده می­ شود. در همه انواع حسگر­های ساخته شده از این نوع نیز جابجایی پلاسمونی نقش اساسی و مهم را ایفا می­ کند. به عنوان مثال می­توان به کار فن­دوین^[۴۸] و گروهش اشاره کرد[۵۳]. این گروه با بهره گرفتن از ذرات هرمی شکل و در نظر گرفتن پروتئینی با ضریب شکست برابر ۵/۱ و محیط اطراف که نیتروژن بود، جابجایی پلاسمونی بزرگی را مشاهده کردند.
نث^[۴۹] و چیلکاتی^[۵۰] نیز با بهره گرفتن از نانوذرات کروی که روی سطح یک شیشه به طور منظم قرار گرفته بودند، این بررسی را انجام و موفق به تشخیص مولکول­های مورد بررسی شدند [۵۴]. آن­ها همچنین در کار خود یک شعاع بهینه را برای ذرات کروی شکل، که بهترین حساسیت را فراهم می­کرد، گزارش کردند.
۲-۵-۳- حسگر تک نانوبلور
در سال ۱۹۹۸ کلار^[۵۱] پیشنهاد داد و در سال ۲۰۰۳ ماک^[۵۲] و همکاران از طریق آزمایش به این نتیجه رسیدند که یک نانوذره طلا به تنهایی می ­تواند حسگری برای محیط اطراف باشد [۵۵].
شکل ۲- ۱۲: نتایج به دست آمده برای حسگر تک نانوبلور
اولین نوع از این حسگر توسط راشک^[۵۳] و گروهش ساخته شد. یک نانوبلورمنفرد طلا برای مشاهده مولکول استرپتاویدین^[۵۴] مورد مطالعه قرار گرفت [۵۶]. نتایج این کار در شکل(۲-۱۲) مشاهده می­ شود. زمان منفی مربوط به زمانی است که مولکول­های استرپتاویدین هنوز به سطح نانوبلور اضافه نشده­اند. در زمان صفر مولکول اضافه می­ شود و قله پلاسمونی به سمت طول موج­های قرمز جابجا می­ شود. در این حالت نیز بعد از مدتی این جابجایی به یک مقدار ثابت و اشباع می­رسد و فرض این­که برهم­کنش تنها با مولکول­های خیلی نزدیک به سطح نانوبلور انجام می­ شود را تایید می­ کند. نوع کوچکی از این نوع حسگر در سال ۲۰۰۵ ساخته شد. به دلیل اندازه و سطح کوچک تک نانوبلور، مساحت لازم برای رویت مولکول­ها بسیار کم می­باشد. این ویژگی امکان ساخت حسگر­هایی با ابعاد بسیار کوچک را که یک نیاز ضروری برای آینده است را ممکن می­سازد.
فصل سوم:
برهم­کنش پلاسمون-مولکول
برهم­کنش پلاسمون-مولکول
۳-۱- انواع مولکول:
به منظور بررسی بر­هم­کنش پلاسمون-مولکول، ابتدا یک دسته بندی از مولکول­ها برای انجام این بررسی لازم می­باشد. در این پایان نامه مولکول­ها به ۳ دسته تقسیم و بر­هم­کنش پلاسمون با اولین دسته از مولکول­ها که در زیر معرفی می­ شود به طور تحلیلی بررسی و نتایج به دست آمده با نتایج آزمایشگاهی مقایسه می­ شود.

1. مولکول بدون جذب: