مهندسی میدان الکترومغناطیسی سنسور تشدید پلاسمون سطحی با استفاده از نانو ساختارها

حسگری مبتنی بر تشدید پلاسمون سطحی یکی از پیشرفته ترین تکنولوژی های آشکارسازی بدون برچسب و بلادرنگ در سنجش های بیوشیمیایی می باشد. یکی از مسائل کلیدی زیست حسگرهای تشدید پلاسمون سطحی (sprb) که اغلب محققان بر آن متمرکز شده اند بهبود حساسیت آن جهت آشکارسازی مقادیر کم آنالیت ( هدف بیوشیمیایی ) در یک محلول می باشد. اغلب توسعه ها در این مورد بر روش بهبود حساسیت مبتنی بر توری متمرکز شده است که بهبود حساسیت آن ناشی از مکانی کردن پلاسمون پلاریتون های سطحی بر روی سطح نانو توری می باشد. میدان های الکترومغناطیسی با شدت بالا و قویاً مکانی شده که حاصل پدیده تشدید پلاسمون سطحی موضعی (lspr ) در نانو توری می باشند، این سنسورها را به مبدل های بسیار حساس تغییرات کوچک ضریب شکست محلی تبدیل ساخته است که مطالعه خصوصیات میدان نزدیک آنها می تواند با مطالعه ویژگی های میدان دور آنها انجام پذیرد. از آنجائیکه برای طراحی یک سنسور کاربردی علاوه بر نیاز به بهبود حساسیت، یک بهبود اساسی در دقت آشکارسازی سنسور شامل قدرت تفکیک پذیری و نسبت سیگنال به نویز نیز مورد نیاز است، لازم است بهبود همزمان سه پارامتر فوق در قالب عدد شایستگی سنسور در طراحی لحاظ گردد که به ندرت در کارهای پیشین این کار انجام گرفته است. علاوه بر این، در این زیست حسگرها خصوصیات حسگری، اغلب در طول موج های مرئی مورد مطالعه قرار گرفته است. از آنجائی که در رژیم نزدیک مادون قرمز، موج الکترومغناطیسی حاصل از تشدید پلاسمون سطحی عمق نفوذ زیادتری داشته و همچنین تعیین دقیقتر عمق های آن در این رژیم امکان پذیر است، تحقق یک سنسور lspr مبتنی بر نانو توری در محدوده طول موج های نزدیک مادون قرمز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. بنابراین در این کار تحقیقی در جهت تحقق اهداف فوق، یک زیست حسگر تشدید پلاسمون سطحی شامل یک فیلم نانو ساختاری یک بعدی با هندسه مستطیل شکل تحت ساختار کرچمن با استفاده از روش شبیه سازی عددی المان محدود (fem) جهت آشکارسازی هیبریداسیونdna و در محدوده وسیعی از طول موج های مرئی تا نزدیک مادون قرمز مورد مطالعه قرار گرفته است. از آنجاییکه پارامترهای ساختاری متعددی در طراحی زیست حسگر lspr مبتنی بر نانو توری دخیل می باشند یک آنالیز عددی جامع برای طول موج های مختلف جهت بررسی اثرات پارامتر های طراحی شامل هندسه توری (ضخامت، پریود و ضریب پرشدگی) و همچنین ضخامت فیلم مسطح فلزی انجام گرفته است. نتایج عددی نشان می دهد که انتخاب طول موج کاربردی سنسور در ناحیه نزدیک مادون قرمز نسبت به انتخاب آن در ناحیه مرئی موجب عملکرد بهتر سنسور می گردد. نتیجه این بررسی عددی جهت طراحی یک سنسور بهینه شده با حساسیت deg/riu 99.5 و عدد شایستگی 5.9 در طول موج نزدیک مادون قرمز 984 نانومتر به کار برده شده است. همچنین خصوصیات سنسور و محاسبات بهینه سازی برای طول موج مرئی 633 نانومتر (که مورد توجه اغلب مقالات بوده است) نیز انجام گرفته و طراحی بهینه سنسور برای این طول موج منجر به مقادیر حساسیت و عدد شایستگی به ترتیب برابر deg/riu 14.9 و 2.27 شده است که نشان می دهد عملکرد سنسور در طول موج 984 نانومتر به مراتب بهتر از عملکرد آن در طول موج 633 نانومتر می باشد. همچنین تاثیر پارامترهای هندسی سنسور بر منحنی پاشندگی نیز بررسی شده است. نشان داده شده است که تغییرات منحنی پاشندگی ناشی از تغییرات پارامترهای هندسی خصوصاً ضریب پرشدگی، می تواند تغییرات پارامترهای عملکردی سنسور را توجیه کند که بنابر اطلاعات محقق تاکنون توجیه ارائه شده با کمک بررسی منحنی پاشندگی در این خصوص در جایی ارائه نگردیده است.