طراحی حسگر تشخیص مایعات مبتنی بر تغییر ضریب شکست محیط و بررسی ویژگی‌های آن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق - دانشگاه آزاد اسلامی واحد نجف آباد - اصفهان - ایران

چکیده

پلاسمونیک مهم‌ترین بخش درزمینه‌ی نانوفتونیک است و کاربردهای فراوانی در مدارهای مجتمع الکترونیکی فرکانس بالا، مخابرات نوری و حسگرها دارد. در این تحقیق عملکرد حس‌گرهای پلاسمونی سطحی موضعی1 در نانو ساختارها که کارایی وسیعی درزمینۀ پزشکی، داروسازی و اندازه‌گیری پارامترهای شیمیایی و فیزیکی تا مانیتورینگ‌ها را دارد و بسیار مورد توجه دانشمندان بوده مورد بررسی قرارگرفته است. کیفیت و کارایی این حس‌گرها به دو عامل حساسیت2 و ضریب شایستگی3 وابسته است. حس‌گرهای پلاسمونی سطحی موضعی به دلیل آلایش یا میرایی تشعشعی بالا ب پلاسمون های سطحی دارای پیک‌های رزونانسی عریض بوده که باعث کاهش ضریب شایستگی حس‌گر می‌شود و این برخلاف حس‌گرهای پلاسمون سطحی انتشاری4 که ضریب شایستگی بالاتری دارند می‌باشد. سادگی، پیاده‌سازی آسان‌تر، هزینه کم، قابلیت اندازه‌گیری محلی، باعث شده حسگرهای پلاسمونی سطحی موضعی نسبت به حس‌گرهای پلاسمون سطحی انتشاری  اولویت داشته باشند. علاوه بر این، در این زیست حس‌گرها خصوصیات حسگری، اغلب در طول‌موج‌های مرئی مورد بررسی قرارگرفته است و از آنجائی که در رژیم نزدیک فروسرخ، موج الکترومغناطیسی حاصل از تشدید پلاسمون سطحی عمق نفوذ زیادتری داشته و همچنین، تعیین دقیق‌تر عمق‌های آن در این رژیم امکان‌پذیر است، تحقق یک حس‌گر پلاسمونی سطحی موضعی در گستره طول‌موج‌های نزدیک مادون‌قرمز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. درمجموع برای طراحی یک حس‌گر کاربردی علاوه بر نیاز به بهبود حساسیت، یک بهبود اساسی در دقت آشکارسازی حس‌گر شامل قدرت تفکیک‌پذیری و نسبت سیگنال به نویز نیز موردنیاز است که لازم است بهبود هم‌زمان سه پارامتر فوق در قالب عدد شایستگی حس‌گر در طراحی لحاظ گردد که به‌ندرت در کارهای پیشین این کار انجام‌گرفته است. ما یک آرایه سه‌بعدی از نانو ساختار هیبریدی متشکل از هسته طلا و پوسته‌های اول و دوم به ترتیب بورنیترید - گرافن را بر روی یک بسترکوارتز5 به‌عنوان یک حس‌گر مایعات شبیه‌سازی کردیم که دارای ضریب شایستگی و حساسیتی به ترتیب برابر125.80 و  nm/RIU283 را دارد که یک بهبود قابل‌توجهی نسبت به کارای پیشین درزمینه‌ی حس‌گرهای تشدید پلاسمون منطقه‌ای است. شبیه‌سازی نانو حسگر پیشنهادی به‌صورت سه‌بعدی و با روش تفاضل‌های محدود در حوزه زمان در نرم‌افزار لومریکال انجام‌گرفته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Nanostructured regional surface plasmon sensors based on gold core and first-second hexagonal boronitride-graphene shell

نویسندگان [English]

  • mehran nadi
  • zahra alaei
[1] D.H. Gijsbers, J.H.S. Lurvink, Ann Occup Hyg, ''Personal exposure to ultrafine particles in the workplace: exploring sampling techniques and strategies''. 439-453, (2004)
[2] J. A. Ruemmele, W.P.Hall, L.K. Ruvuna, A Localized Surface Plasmon Resonance Imaging The Instrument for Multiplexed Biosensing. Analytical Chemistry, 85(9), 114-120, (2013).
[3] R. W. Wood, On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum." London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 4.21, 396-402, (1902)
[4] F. Turker, Grating coupler integrated photodiodes for plasmon resonance based sensing. Lab on a Chip, 45, 112-118, (2011).
[5] W.P. Hall, Localized Surface Plasmon Resonance Sensors-Department of Physics and Astronomy- 8,110-118, (2011).
[6] G. Mie, Speziell kolloider Metall?sungen. Ann Phys,  25, 377389, (1908).
[7] A.J. Haes, Desing Localized Plasmon Resonance Sensors, 31, 78-85, (2010).
[8] M. Svedendahl, S. Chen, A. Dmitriev, Refractometric Sensing Using Propagating versus Localized Surface Plasmons: A Direct Comparison. Nano Letters, 9 (12), 4428-4433. (2009).
[9] F.P. Zamborini, L. Bao, R. Dasari, Anal. Chem. 84, 112-117, (2012).
[10]  W.P. Hall, S.N. Ngatia, R.P.V. Duyne, J. Pharm. Chem. C 115 (2011) 1410.
[11] – S. Nengsih, A. Ali Umar, M. Mat Salieh, M. Yahaya, Sains Malaysiana, 40, 231-238, (2011).
[12]  A.J. Haes, W.P. Hall, L. Chang, W.L. Klein, R.P.V. Duyne, Nano Lett. 4 (2004) 1029.
[13] H. Altug, A. Cetin, A.F. Coskun, In Hand-Held and High-Throughput Biosensor with Plasmonics and Lens-Free Imaging, Latin America Optics and Photonics Conference, Cancun, Optical Society of America: Cancun, 33, 81-90, (2014).
[14] Y.Q. He, S.P. Liu, L. Kong, Z.F Liu, A study on the sizes and concentrations of gold nanoparticles by spectra of absorption, resonance Rayleigh scattering and resonance non-linear scattering Spectrochimica Acta Part A, 23, 52-56, (2006).
[15] A.H.C. Neto, F. Guinea, N.M.R. Peres,K.S. Novoselov, A.K. Geim, The electronicproperties of graphene, Reviews of ModernPhysics, 81, 109-161, (2009)
[16] X. Huang, P. K Jain, I. H. El-Sayed, M.A El-Sayed, Nanomedicine 2 , 681- 691, (2007)
[17] S. Westcott, L. Oldenburg, S.J. Lee, T.R., Halas, “Construction of Simple Gold Nanoparticle Aggregates with Controlled Plasmon—Plasmon Interactions”, Chem. Phys. Lett., 3651, 62-69, (2009).
    [18] D. Wang, A. Yang, A.J. Hryn, Superlattice plasmons in hierarchical Au      nanoparticle arrays. ACS Photonics 2(12):1789–1794, (2015)
 [19] N. Nath, A. Chilkoti, , Label Free Colorimetric Biosensing Using Nanoparticles. Journal of Fluorescence, 14 (4), 377-381, (2004).
[20] T. Maurer, Localized Surface Plasmon Resonance Sensors-Department of Physics and Astronomy- 8, 14-21, 2011.
[21] G. Mie, Beitr?ge zur Optik trüber Medien, speziell kolloider Metall?sungen. Ann Phys 25, 377-381, (1908).
[22] G. Mie, Desing Localized Plasmon Resonance Sensors, 12, 13-19, )2010(.
[23] S. Zhu, Y. Fu, Biomed Microdevices Hybridization of localized surface plasmon resonance-based Au-Ag nanoparticles ''11, 579-585, (2009).
[24] R. Wannemacher, Plasmon supported-transmission of light through nanometric holes in metallic thin films. Opt Commun 195:107–118,(2001).
[25] Irannejad, M., Cui B, Yavuz M. Optical properties and liquid sensitivity of Au-SiO2-Au nanobelt structure. Plasmonics 11(1):1–9,(2015).
[26] S. Zhu, Y. Fu, Biomed Microdevices Hybridization of localized surface plasmon resonance-based Au-Ag nanoparticles ''11, 579, (2009).
[27] A. Deinega, I.Valuev, Long-time behavior of PML absorbing boundaries for layered periodic structures, Computer Physics Communications 182, 149–151, (2011)
[28] A. Zhang, Perfect mid-infrared absorption by hybrid phonon-plasmon polaritons in hBN/metal-grating anisotropic structures. International Journal of Heat and Mass Transfer. 106. 10074-10081, (2016).
[29] A. Zajac, Optics, Fourth Edit. Pearson Higher Education.321, 114-120, (2003).
[30] Lide, David R. Lide, ed. (2001). CRC Handbook of Physics and Chemistry (82nd ed.). Cleveland, OH: The Chemical Rubber Company. ISBN 978-0-8493-0482-8.
[31] P; Giannios, Visible to near-infrared refractive properties of freshly-excised human-liver tissues: marking hepatic malignancies. Plasmon Sensors, 12, 31-38, (2016).
[32]  N. Nath, Gold-Graphene Core-Shell Nanostructure Surface Plasmon Sensors, 29, 13-21, (2016).
    [33]  K.M. Mayer, J.H. Hafner, Localized surface plasmon resonance sensors. Chem Rev 111(6):3828–3857, (2011.)
[34] J.N Anker, W.P. Hall, O. Lyandres, NC, Shah, J. Zhao, Duyne RPV Biosensing with plasmonic nanosensors. Nat Mater 7, 51-58, (2008).
[35] T. Maurer, R. Nicolas, Enhancing LSPR sensitivity of Au gratings through graphene coupling to Au film. Plasmonics 9(3):507–512, (2013).