امیر مدنی

در سال‌های اخیر تحقیقات گسترده‌ای در زمینه حسگرهای زیستی صورت گرفته است. عملکرد حسگرهای زیستی بر پایه تشخیص تغییرات محیطی که در آن‌ها قرار دارند، عمل می‌کنند به عبارتی از طریق غلظت و یا فعالیت عناصر شیمیایی داخل نمونه‌های زیستی، برای تشخیص مواد زیستی و بیماری‌ها به کار می‌روند. این حسگرها بر اساس روش عملکردشان به گروه‌های الکتریکی، پیزوالکتریک، الکتروشیمیایی، مکانیکی، مغناطیسی، صوتی و نوری دسته بندی می‌شوند. اساس عملکرد حسگرهای مذکور، تبدیل یک نوع سیگنال (مانند شیمیایی، الکتریکی، نوری، مکانیکی، مغناطیسی و صوتی) به حالت قابل مشاهده و ارزیابی است. حسگرهای زیستی نوری به عنوان آشکارسازهای تحلیلی عمل می‌کنند و می‌توانند فعل و انفعالات مواد بیولوژیکی از جمله خون را به یک سیگنال نوری قابل اندازه‌گیری تبدیل کنند. نوع خاصی از بلور‌های فوتونی، محیط کایرال ساختاری است. این محیط‌های پیوسته و ناهمگن، دارای ضریب شکست مارپیچی حول یک محور ثابت هستند. شاخص اصلی این محیط‌ها، پدیده‌ی براگ دایروی است. در این ساختارها، موج قطبیده‌ی دایروی موافق با دستوارگی ساختار در یک محدوده‌ی طول موجی خاص، به شدت بازتاب می‌شود، در حالی که موج مشابه با دستوارگی مخالف، به شدت عبور می‌کند. نمونه‌های مشخصی از این ساختارها، فیلم‌های نازک مجسمه سازی شده، بلورهای مایع کلستریک و الاستومرهای فوتونیکی کایرال هستند. در سال-های اخیر، محیط‌های کایرال ساختاری به عنوان حسگرهای نوری، مانند فیلم‌های نازک مجسمه سازی شده، در حوزه‌های مختلفی مانند شیمیایی، گازی و زیستی استفاده شده‌اند. که از طریق روش هایی چون بررسی تغییرات ضریب شکست و اندازه لایه نقص ، تغییرات طیف عبوری و بازتاب ، تغییرات طول موج و فرکانس تشدید بر اساس امواج سطحی ، بررسی جذب سطحی می توانند به عنوان حسگر مورد استفاده قرار گیرند. مکانیزم عملکرد حسگر مبتنی بر محیط کایرال ساختاری اینگونه است که کمیت‌های فیزیکی را از طریق کنترل و آشکارسازی مستقیم اندرکنش های نور-ماده آشکارسازی می کند. در این رساله نظری ، طراحی ، تجزیه و تحلیل خواص اپتیکی یک حسگر زیستی محیط کایرال ساختاری انجام خواهد گرفت که یک روش با حساسیت بالا برای آشکارسازی و سنجش طیف گسترده‌ای از مواد زیستی است. تمرکز ما بر روی بررسی طیف‌های بازتابی و عبوری حاصل از ساختار کایرال دارای نقص که حاوی مواد زیستی نیز می‌باشد است و همچنین تحت اثر میدان الکتریکی با فرکانس پایین قرار گرفته است و سپس با استفاده از پیکر بندی کرشمن و Sarid خواص حسگری این ساختارها را با استفاده از مدهای پلاسمونی و موجبری بر اساس طیف‌های جذبی بررسی کرده‌ایم. لازم به ذکر است که مااز روش ماتریس انتقال برای محاسبه انتقال و انعکاس نور قطبی شده دایره ای در بازه طول موج مرئی استفاده کرده ایم. در این سیستم طراحی شده که شامل محیط کایرال ساختاری دارای یک لایه نقص است، تغییرات ضریب شکست لایه نقص که حاوی پلاسمای خون با غلظت‌های مختلف است، باعث تغییر خواص نوری ساختار می شود. این تغییرات می‌تواند برای آشکارسازی مولکول های زیستی اندرکنشی مورد استفاده قرار گیرد. نتایج بدست آمده یک حالت نقص در وسط باند گاف براگ دایروی را نشان می‌دهد که موقعیت آن به ضریب شکست و ضخامت لایه نقص بستگی دارد. با بررسی نمونه بیولوژیکی، نشان داده شد که حساسیت زیست حسگر طراحی شده با افزایش ضخامت لایه نقص افزایش می‌یابد و به حداکثر مقدار(nm/RIU) 87.53 در 900 نانومتر رسید. در بخش بعدی اثر ولتاژ خارجی بر روی محیط کایرال ساختاری دارای لایه نقص جهت سنجش هموگلوبین خون با غلظت‌های مختلف نیز بررسی شده است که با بهینه سازی پارامترهای مختلف حسگر، امکان افزایش حساسیت سنسور پیشنهادی فراهم شد. ولتاژ DC تاثیر بسزایی در افزایش حساسیت حسگر طراحی شده دارد که می‌تواند گزینه مناسبی برای تشخیص نمونه‌های مختلف خون باشد. ما از پیکر بندی کرشمن نیز با استفاده از یک لایه نازک فلزی و محیط کایرال ساختاری برای بررسی نمومه های سرطانBasal و Jurkat با استفاده از مد‌های پلاسمونی و موجبری بهره برده‌ایم. اساس این حسگر طراحی شده به این صورت است که برهمکنش آنالیت با لیگاندهایی که روی سطح لایه کایرال ثابت می‌شوند، ضریب شکست محیط بالایی را تغییر می‌دهد و این تغییرات توسط حالت‌های سطحی پلاسمونیکی و موجبری تشخیص داده می‌شود. در نهایت با بهره‌گیری از پیکر بندی Sarid که حاوی یک یک محیط کایرال ساختاری با یک نقص فلز مرکزی می‌باشد خواص حسگری برای نمونه Basal را بررسی و تحلیل کرده‌ایم. نتایج بدست آمده با افزایش فاکتور کیفیت و حساسیت حسگر نیز همراه است.