نگارش پایان نامه درباره برهمکنش پلاسمون-مولکول در نانوذره و ...

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.

مولکول بدون جذب:

موضوعات: بدون موضوع لینک ثابت

فرم در حال بارگذاری ...

فید نظر برای این مطلب