طراحی نانوساختار سه لایۀ تنظیم پذیر و کاربرد آن در حسگرهای زیستی

مقدمه: در مقایسه با نانوذرات فلزی توپر، نانوپوسته‌های فلزی مُدهای پلاسمونی تنظیم‌پذیری را در ناحیۀ نزدیک مادون قرمز، جایی که جذب بافت زیستی کمترین است، نشان می‌دهند. روش بررسی: برای به‌دست آوردن خواص پلاسمونیکی نانو­پوستۀ کروی سه­لایه، میدان الکتریکی موضعی تقویت شده که به‌صورت نسبت میدان الکتریکی موضعی در هر نقطه روی سطح نانو پوسته به میدان الکتریکی فرودی خارجی تعریف می‌شود، با استفاده از تقریب شبه استاتیک محاسبه شده است. با حل معادلۀ لاپلاس کروی در سه­بعد و اعمال شرایط مرزی، میدان الکتریکی در هر ناحیه (داخل هستۀ نقره، لایۀ دی‌الکتریک میانی، پوستۀ خارجی نقره) محاسبه شده است. قله‌های تشدید طیف پراکنده­شدۀ نانو­پوسته نسبت به تغییرات خیلی کوچک در ضریب شکست محیط اطراف حساس است. بنابراین، می‌توان حساسیت نانو­پوسته را، که به‌­صورت شیب نمودار اختلاف بین قله‌های تشدید طیف پراکنده­شده بر حسب ضریب شکست محیط اطراف (Δλ/Δn) تعریف می‌شود، محاسبه کرد. یافته‌ها: نتایج محاسبات نشان می‌دهد که نانو­پوستۀ طراحی­شده با داشتن قله‌های پلاسمون در ناحیۀ مرئی امکان شناسایی بیو­مولکول‌های موجود در خون را فراهم می‌کند. ضریب شکست محلول هموگلوبین در ناحیۀ مرئی از 413/1 تا 438/1 است که با توجه به نتایج به­دست­آمده، چنین تغییراتی در ضریب شکست محیط اطراف یک زیست­حسگر دارای ضخامت پوستۀ نقره کمتر (حداکثر تا 3 نانومتر) با حساسیت 371.1 nm/RIU قابل شناسایی است. همچنین، در سیستم نانو­پوسته با شعاع هستۀ کوچک یا دی‌الکتریک با ضخامت بیشتر، حساسیت بیشتر است. حساسیت نانو­پوسته با شعاع هستۀ 23 نانومتر برابر با Δλ/Δn= 315.7 nm/RIU است. نتیجه‌گیری: طیف پلاسمونی نانو­پوسته دارای دو قلۀ تشدید پلاسمون در ناحیۀ مرئی است که شناسایی دو مولکول را امکان­پذیر می‌سازد. نانو­پوسته خواص پلاسمونیکی تنظیم­پذیری را از خود نشان می‌دهد. در سیستمی با ضخامت پوستۀ نقره کمتر، دو قلۀ تشدید طیف پراکنده­شدۀ نانو­پوسته کاملاً مشخص و حساسیت سیستم بیشتر است. علاوه بر پارامترهای هندسی، ضریب شکست محیط اطراف نیز طیف پلاسمونی نانوپوسته را تحت تأثیر قرار می‌دهد که از این ویژگی در حسگری به روش جابه‌جایی طول موج تشدید پلاسمون می‌توان استفاده کرد. به­عنوان نمونه، کوچک‌ترین تغییر در غلظت خون و سطح اکسیژن در آن با حساسیت بالا  قابل شناسایی است.