طیف سنج پلاسمونی

تاریخچه ی علم پلاسمونیک

پیش از پرداختن به روش کار طیف سنج پلاسمونی، اطلاع از تاریخچه ی علم پلاسمونیک مفید خواهد بود. در سال ۱۷۸۵ پدیده ی پراش از توری ها با مشاهده ی یک لامپ خیابانی از میان یک دستمال جیبی ابریشمی، توسط فرانسیس هاپکینسون گزارش شد. رنگین کمان مشاهده شده از طریق پاشیدگی نور از میان چنین ساختار ظریفی، به سرعت توسط فرانهوفر به عنوان اثری سودمند شناخته شد و طولی نکشید که توری های پراش اولیه با خراش شیارهایی باریک بر روی سطح شیشه ها و فلزات ساخته شدند. در سال ۱۹۰۲ ایجاد ساختار بر روی فلزات منجر به اولین مشاهده ی ثبت شده از برهمکنش پلاسمون­ های سطحی و نور و در نتیجه تولید پلاسمون پلاریتون ­های سطحی گردید. وود نور بازتابی از یک توری فلزی را بررسی کرد و توزیع غیر منتظره­ ای از نور بازتابی از یک توری پراش ساخت دانشگاه جان هاپکینز مشاهده کرد.

) وابستگی زاویه ای بازتاب از یک توری لایه نشانی شده با طلا

شکل ۱ ) وابستگی زاویه ای بازتاب از یک توری لایه نشانی شده با طلا که اثرات غیر عادی رایلی (روشن) و وود (تاریک) را نشان می دهد

در این آزمایش نوارهای تاریک و روشنی در طیف بازتابی نور با قطبش TM مشاهده شد و بین این نوارها، شدت در ناحیه­ طیفی بسیار باریکی تغییر می­کند.

این توری های پراش در فیزیک و مخصوصا در طیف­ سنجی کاربردهای زیادی پیدا کردند و مطالعات بسیاری برای توضیح ناهمسانی های وود انجام پذیرفت. پس از چند سال و در ۱۹۰۷، رایلی به درستی مکان پدیده ­ی غیر عادی روشن در طیف TM را پیش بینی می­ کند. پیش بینی او بخشی از “نظریه­ ی دینامیک توری بود. او دریافت که میدان پراشیده، در طول موجی که در آن یکی از مراتب پراش از توری در زاویه ­ی خراشان خارج می­ شود، جالب توجه است و این امر منجر به یک بازتوزیع ناگهانی انرژی در دسترس می ­شود. نظریه ­ی او پیشنهاد می ­کند که پدیده­ ی غیر عادی تنها وقتی میدان الکتریکی فرودی عمود بر شیارهای توری قطبیده شده است، مشاهده می ­شوند.

نوار روشن وود به مدت ۳۰ سال بدون توضیح باقی ماند تا اینکه استرانگ تلاش کرد بازده ی بازتابی مجموعه ای از توری ها را با لایه نشانی انواع فلزات بهبود بخشد و متوجه شد که انرژی نوار با توجه به نوع فلز، جابجا می شود. این وابستگی به خواص نوری فلزات باعث شد که فانو نتیجه گیری کند که این ناهمسانی در بازتاب نشانه ی برهمکنش های نور با مدهای سطحی به دام افتاده است که به طور جزیی شامل الکترون های رسانش فلزی در سطح هستند. او در نظر گرفت که این نشان دهنده ی یک مد موجبری مرتبه صفر است. معادلات ماکسول یک جواب را برای این موج فراهم کردند؛ با این شرط که یک ماده رسانا و دیگری دی الکتریک باشد. امروزه ما این مدهای فصل مشترکی را پلاسمون پلاریتون های سطحی (SPP) می نامیم که به صورت یک موج سطحی الکترومغناطیسی مقید به فصل مشترک رسانا و دی الکتریک تعریف می شود.

رابطه­ ی پراش در توری ­ها نشان می­ دهد که مولفه­ ی تکانه­ ی تابش فرودی به موازات صفحه­ ی متوسط سطح توری با مضرب­ های صحیحی از ۲π/λg (که λg فاصله­ ی بین توری­ ها است) افزایش می­ یابد و مجموعه ­ای از مراتب پراش نتیجه خواهند شد. فانو پیشنهاد کرد که وقتی این مولفه بزرگتر از تکانه­ ی پرتو فرودی است، میرا خواهد شد و به یک جفت از موج­ های سطحی که در طول سطح توری در حرکتند پراشیده خواهد شد و به طور نمایی در یک مسیر عمود بر آن میرا خواهد شد. این امواج قادر به ترک فصل مشترک نیستند زیرا هم دی­ الکتریک و هم فلز آن­ها را مکررا بازتاب می­ کنند و هیچ قسمتی از انرژی آن­ ها به بیرون از سطح پخش نمی ­شود. فانو نشان داد که حالت شبه پایداری می­ تواند مطرح شود که در آن جفت ­های امواج سطحی توسط برخورد تابش فرودی به سطح توری تشدید می­ شوند و به عنوان یک نوسانگر قدرتمند عمل می­ کند. امواج به این دلیل شبه پایدار در نظر گرفته می­ شوند که در فلزات واقعی اتلاف ­هایی بر اثر تولید گرما وجود دارد. پهنای فاصله ­ای که تشدید در آن احساس می­ شود، متناسب با اندازه ­ی این کاهش است.

در حالی که اولین مشاهده ی ثبت شده از SPPها، در توری های پراش ثبت شد، SPP ها تنها در این سیستم ها یافت نمی شوند بلکه به طور کلی در سیستم هایی که یک فصل مشترک رسانا/دی الکتریک در آن ها وجود دارد، حضور دارند. به محض اینکه فانو منشا فیزیکی این امواج سطحی  و به طور خاص ملزومات مربوط به تکانه ی آن ها برای تشدیدشان را تایید کرد، روش های دیگر تشدید SPPها روی سطح فلزات شروع به پدید آمدن کردند. در دهه­ ی ۱۹۵۰ میلادی ریچی و فرل تشدید SPPها بر روی فیلم های فلزی تخت نازک را به وسیله ی الکترون های شتاب گرفته پیش بینی کردند و فرل همچنین پیش بینی کرد که SPPها می توانند دوباره به نور واپاشی کنند. این پیش بینی دو سال بعد توسط استینمن به صورت تجربی تایید شد. در سال ۱۹۶۸، اتو و کرشمن موفق شدند SPPها را با هندسه ای منشوری تشدید کنند. در این تکنیک برای جفت کردن نور به SPP ها در فصل مشترک فلز/ هوا، از دنباله ­ی میرای نوری که در منشور دچار بازتاب کلی داخلی شده است استفاده می شود تا تکانه ­ی میدان SPPها از طریق تونل زنی کلاسیکی موج میرا که منشا آن در داخل ماده با ضریب شکست بالا است، انطباق یابد. البته قابل ذکر است که توربادار کسی بود که برای اولین بار این امواج را با استفاده از هندسه ی منشوری تشدید کرد اما متاسفانه او موفق به ارتباط دادن کارش با کارهای فانو و مشاهدات او از SPPها نشد.

در سال­ های بعد تحقیقات برروی SPPها در توری های پراش به موازات گسترش روش های دیگر تشدید پیش رفتند. تحقیقات در دهه های ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ برروی اثر شیارهای عمیق و لایه نشانی روی آن ها متمرکز بودند. این مطالعات با کارهایی که در دهه ی ۱۹۹۰ اثر شکل توری بر تشدیدها، نقش SPPها در تبدیل قطبش و منشا فیزیکی باندهای برهمکنشی مشاهده شده ی SPPها را توضیح می دادند، دنبال شدند. SPPها برروی توری اکنون کاربردهای زیادی پیدا کرده اند و در برخی موارد به مرحله ی تجاری نیز رسیده اند. چون انرژی تشدید SPPها به عوامل محیطی در سطح بسیار حساس است، SPPها در کاربردهای حسگری بسیار موفق بوده اند. SPPهای جفت شده بر روی توری برای بهبود وسایل اپتوالکترونیک مختلف نیز استفاده می شوند: بهبود آشکارسازها، افزایش پرتوهای لیزر و توانایی بهبود بازده ی سلول های خورشیدی در مقالات گزارش شده اند. از SPPها برای افزایش اثرات مگنتواپتیکی مانند اثر کر و فارادی نیز استفاده شده است.

 

مطلب پیشنهادی: اولین میکروسکوپ تشدید پلاسمون سطحی

 

روش های تشدید پلاسمون سطحی:

اندازه گیری شدت

در این روش به جای اسکن زاویه ای سطح سنسور جهت یافتن زاویه ی تشدید پلاسمون سطحی، از اندازه گیری تغییر شدت نور بازتاب شده از سطح سنسور، به تغییرات ایجاد شده در محیط پشت لایه سنسور پی برده می شود. اساس این روش بر این حقیقت استوار است که هر محیطی با ضریب شکست مشخص در پشت لایه ی سنسور، موجب تشدید پلاسمون های سطحی در زاویه و شدت بخصوصی می شود. بنابراین تغییر این ضریب شکست منجر به تغییر این زاویه تشدید و شدت نور بازتابی مربوط به آن می گردد. به عنوان مثال، همانگونه که در شکل ۲ مشخص است، شیفت ایجاد شده در شدت نور بازتابی در حالتی که ضریب شکست محیط پشت لایه سنسور تغییر کرده است، می تواند به عنوان معیاری جهت اندازه گیری ضریب شکست مورد استفاده قرار گیرد.

اندازه گیری شدت در تشدید پلاسمون های سطحی | شرکت اینفورتکس

شکل ۲) تغییر در شدت نور بازتابی از سنسور پلاسمونیک بر اثر تغییر در ضریب شکست محیط پشت لایه سنسور. این تغییر شدت می تواند به عنوان معیاری جهت اندازه گیری ضریب شکست مورد استفاده قرار گیرد.

حد کمینه آشکارسازی (Minimun Detection Limit) سنسورهای ساخته شده به این روش برابر با ۱۰-۱۰ واحد ضریب شکست (RIU) است.

اندازه گیری زاویه ای

اندازه گیری زاویه ای تشدید پلاسمون های سطحی یکی از متداول ترین روش های استفاده از سنسورهای پلاسمونیک است. در این روش، زاویه ی برخورد لیزر به سطح سنسور به صورت پیوسته پویش می شود و نمودار شدت نور بازتابی از سطح سنسور نسبت به زاویه فرود رسم می گردد. شیفت ایجاد شده در زاویه ی کمینه بازتاب، که بر اثر تغییر ضریب شکست محیط پشت سنسور رخ می دهد، از طریق نمودارها اندازه گیری می گردد و مبنای محاسبه میزان تغییر شکست قرار می گیرد. مزیت این روش سادگی کاربرد و آشنایی کامل با فرآیند تشدید پلاسمون های سطحی است. با این وجود به دلیل زمان بر بودن پویش زاویه ای، نیازمند بودن به المان های متحرک و دقت پایین، سنسورهای مبتنی بر این روش در حال منسوخ شدن هستند. در شکل ۳ این روش به صورت شماتیک نمایش داده شده است.

روش تحریک پلاسمون های سطحی با پویش زاویه ی برخورد لیزر به سطح سنسور | شرکت اینفورتکس

شکل ۳) روش تشدید پلاسمون های سطحی با پویش زاویه ی برخورد لیزر به سطح سنسور.

نوع دیگری از اندازه گیری زاویه تشدید پلاسمون های سطحی که برخلاف روش قبلی مستلزم استفاده از قطعات متحرک نیست، با استفاده از واگرا کردن نور قبل از برخورد به سطح سنسور و سپس آشکارسازی نور واگرای بازتابی توسط یک آرایه ی CCD قابل انجام است. در این روش، در پروفایل نور بازتابی و در زاویه ای خاص نوار تاریکی وجود خواهد داشت که با تغییر ضریب شکست ماده پشت لایه سنسور جابجا خواهد شد. با اندازه گیری میزان این جایجایی، میزات تغییر در ضریب شکست مشخص خواهد شد. در شکل ۴ این روش نمایش داده شده است.

تحریک پلاسمون های سطحی توسط نور واگرا شده | شرکت اینفورتکس

شکل ۴) تشدید پلاسمون های سطحی توسط نور واگرا شده.

حد کمینه آشکارسازی (Minimun Detection Limit) سنسورهای ساخته شده به این روش نیز برابر با ۱۰-۱۰ واحد ضریب شکست (RIU) است.

 

مطلب پیشنهادی: معرفی سیستم های تشدید پلاسمون سطحی (SPR) شرکت Reichert

 

اندازه گیری طول موجی

در اندازه گیری طول موجی تشدید پلاسمون های سطحی، نور پهن باند در زاویه ای خاص و ثابت به سطح سنسور تابانیده می شود. هر یک از طول موج های نور تابیده شده که در آن زاویه ی خاص شرط تشدید پلاسمون های سطحی را ارضا کند، توسط سنسور به صورت کامل جذب می شود و در نور بازتابی از لایه وجود نخواهد داشت. با فرستادن نور بازتابی به داخل یک طیف سنج و اندازه گیری نور جذب شده توسط سنسور و جابجایی این طول موج جذب شده با تغییر ماده پشت لایه سنسور، می توان میزان تغییر در ضریب شکست را بدست آورد. در شکل ۵ جابجایی طول موج تشدید کننده پلاسمون های سطحی بر اثر تغییر ضریب شکست ماده پشت سنسور نشان داده شده است.

جابجایی طول موج تحریک کننده پلاسمون های سطحی بر اثر تغییر ضریب شکست ماده پشت سنسور | شرکت اینفورتکس

شکل ۵) جابجایی طول موج تشدید کننده پلاسمون های سطحی بر اثر تغییر ضریب شکست ماده پشت سنسور.

حد کمینه آشکارسازی (Minimun Detection Limit) سنسورهای ساخته شده به این روش نیز برابر با ۱۰-۱۰ واحد ضریب شکست (RIU) است.

اندازه گیری فازی

بر طبق معادله فرنل، ضریب بازتاب و فاز در پیکربندی شکل ۶ به صورت زیر بیان می شود:

اندازه گیری فازی | تشدید پلاسمون سطحی | SPR | شرکت اینفورتکس

که

اندازه گیری فازی | تشدید پلاسمون سطحی | SPR | شرکت اینفورتکس

برای مولفه با قطبش TM و

اندازه گیری فازی | تشدید پلاسمون سطحی | SPR | شرکت اینفورتکس

برای مولفه با قطبش TE و اندیس های i  و j به p، m و a اشاره دارد.

پیکربندی کرشمن در روش ATR | شرکت اینفورتکس

شکل ۶) پیکربندی کرشمن در روش ATR

از آنجایی که SPR تنها توسط قطبش TM نور ایجاد می شود، بنابراین تنها این مولفه از نور هنگام بازتاب از لایه فلزی دچار تغییر فاز می شود. همانطور که از معادلات بالا مشخص است، تغییر فاز در یک پرتو، بر روی بازتاب نور منعکس شده اثر می گذارد. پس می توان با اندازه گیری اختلاف فاز بین مولفه های با قطبش TE (به عنوان مرجع) و TM (به عنوان پروب) به اطلاعات مربوط به ضریب شکست ماده پشت لایه ی فلزی دست یافت. محاسبات نظری نشان می دهند که حساسیت سنسورهای پلاسمونیک مبتنی بر روش آشکارسازی فاز ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ مرتبه بالاتر از روش های دیگر است.

 

کاربردهای تشدید پلاسمون سطحی

کینتیک تغییرات ساختاری در پروتئین ها

درک تغییرات ساختاری در پروتئین ها و دیگر بیومولکول ها به دلیل نقش اساسی آن ها در فرآیندهای بیولوژیک از اهمیت بالایی برخوردار است. این تغییرات ساختاری معمولا کوچک و سریع هستند و به همین خاطر اندازه گیری آن ها دشوار است. تشدید پلاسمون سطحی (SPR) قادر به آشکارسازی تغییرات ساختاری کوچک در پیوندهای سطحی مولوکول ها است. یک مثال از این کاربرد، آشکارسازی تغییرات ساختاری ایجاد شده توسط اکسایش در سیتوکروم c است (شکل ۷).

کینتیک تغییرات ساختاری در پروتئین ها

شکل ۷) برهمکنش اکسایشی یک پروتئین معمولا با یک تغییر ساختاری همراه است. SPR امکان آشکارسازی سریع این تغییرات ساختاری در مولکول ها را برای کاربر فراهم می کند

 

سنجش حساس DNA و توالی های خاص

روش SPR تکنیکی قدرتمند برای تحلیل های ژنتیکی سریع، حساس و بدون نشانه گذاری است. وقتی سطح سنسور تنها توسط یک DNA پوشش داده شده باشد، SPR میتواند هم برای مطالعه ی تمایل به اتصال (یعنی اندازه گیری های کینتیک) و هم برای آشکارسازی غلظت یک DNA مورد استفاده قرار گیرد. اگرچه میزان آشکارسازی غلظت در SPR در نانومولارهای پایین است، که نمی تواند با اندازه گیری های فلوئورسانس رقابت کند. از طرف دیگر دقت بسیار بالای روش های SPR بر پایه ی المان های حساس به موقعیت، پژوهشگران را قادر به اندازه گیری هدف های الیگونوکلئوتید (ODN) و پلی نوکلئوتید در زیر پیکومولار می سازد.

 

اندازه گیری چگالی بار سطحی

چگالی بار سطحی کمیتی بنیادین است که به صورت مستقیم به پدیده های زیادی مانند اندرکنش های سطحی و هیبریداسیون DNA در رابطه است. اندازه گیری و مشخصه یابی چگالی بار سطحی می تواند به فهم بهتر برهمکنش های بیومولکول ها بر روی سطوح منجر شود. تا کنون روش های مختلفی نظیر تیتراسیون پتانسیومتریک، میکروسکوپ نیروی اتمی و میکروسکوپ بازتاب تداخلی برای اندازه گیری چگالی بار سطحی معرفی شده است. اخیرا روش SPR جهت اندازه گیری چگالی بار سطحی مورد استفاده قرار گرفته است.

 

تشخیص ملامین در شیر

در سال ۲۰۰۸ تقلب غیرقانونی در شیر خشک کودکان با افزودن ملامین (ساختار در شکل ۸ نمایش داده شده) به این فرآورده ها موجب شیوع بیماری های کلیوی در هزاران کودک در چین گشت. افزودن مخفیانه ی ملامین به فرآورده های شیری جهت افزایش محتویات پروتئینی قابل شناسایی صورت گرفته بود. به دلیل اثر شدید ملامین بر سلامتی انسان، سازمان بهداشت جهانی (WHO) وجود ملامین در شیر خشک کودکان و مواد اولیه ی آن را به ترتیب به میزان بیش از ۱ mg/Kg و ۲٫۵ mg/Kg ممنوع اعلام کرده است. شکل ۸ روش SPR را برای تشخیص ملامین نشان می دهد. ملامین های اصلاح شده با آمین بر روی چیپ کربوکسی متیل دکستران ثابت می شوند و در زمانی که آنتی بادی ملامین پلی کلونال به داخل سلول جریان SPR تزریق می شود، یک پاسخ SPR تولید می شود. حضور ملامین در محلول، پاسخ SPR را کاهش می دهد زیرا این ماده با مولکول های آنتی بادی اضافه شده به محلول رقابت می کند.

شماتیک نشان دهنده روش اتصال رقابتی ملامین و ساختار ملامین (پایین سمت چپ).

شکل ۸)  شماتیک نشان دهنده روش اتصال رقابتی ملامین و ساختار ملامین (پایین سمت چپ).

 

پایش تعداد لایه های ایجاد شده در روش لاگمویر-بلاجت

ساخت لایه های مولکولی منفرد یا چند گانه دارای کاربردهای زیادی در بیوسنسورها، نمایشگرها و نانوالکترونیک است. روش لانگمویر-بلاجت برای لایه نشانی مولکول ها، نانوذرات و نانوسیم ها مورد استفاده قرار می گیرد. با لایه نشانی کردن استریک اسید بر روی یک لایه چیپ سنسور طلا، می توان از طریق روش SPR و اندازه گیری شدت نور بازتابی بر حسب زاویه اسکن، تغییر ضخامت ایجاد شده در اثر لایه نشانی را آشکارسازی کرد (تکنیک لانگمویز-بلاجت و تغییر زاویه تشدید پلاسمون سطحی بر اثر افزایش ضخامت لایه ها در شکل ۹ نمایش داده شده است).

پایش تعداد لایه های ایجاد شده در روش لاگمویر-بلاجت

شکل ۹) شکل سمت راست: شماتیک روش ایجاد لایه ها در تکنیک لانگمور-بلاجت و سمت راست:نمودار تغییرات شدت SPR بر حسب زاویه با افزایش تعداد لایه ها

 

پایش برهمکنش دارو با سلول های سرطانی زنده

با ترکیب SPR و روش های الکتروشیمیایی می توان خزان یاخته ای (آپوپتوز) سلول های سرطانی (HepG2) را پس از درمان توسط دانوروبیسین (DNR) (یک داروی ضد سرطان جهت درمان نوع خاصی از سرطان خون) اندازه گیری کرد (شکل ۱۰). در این روش، اثر داروی DNA بر روی سلول های سرطانی به دلیل تغییر هندسه و توزیع جرم این سلول ها، توسط SPR قابل تشخیص است.

پایش برهمکنش دارو با سلول های سرطانی زنده

شکل ۱۰) شماتیک آزمایش SPR الکتروشیمیایی سلول های زنده سرطانی پس از درمان با DNR

 

مطلب پیشنهادی: کاربرد تصویربرداری SPR در حوزه های مواد مخدر، محیط زیست و سلامت

 

اندرکنش پروتئین/دارو: اسید فرولیک و سروم آلبومین گاوی

به طور کلی SPR تغییرات ایجاد شده در ضریب شکست بر اثر پیوند یک گونه ی محلول با یک مولکول ثابت شده بر روی چیپ سنسور SPR را اندازه گیری می کند. فرولیک اسید (FA) (که ساختار آن در شکل ۱۱ نشان داده شده است)، یک فنولیک اسید است که معمولا در غذاها و گیاهان یافت می شود. ثابت شده است که این ماده دارای خواص آنتی اکسیدان، ضد میکروب و ضد التهاب است و ادعا شده که دارای اثرات ضد سرطان می باشد. همچنین سرم آلبومین گاوی (BSA) به دلیل اینکه فراوان ترین پروتئین در پلاسما است و ساختار آن به خوبی مشخصه یابی شده است، مدل پروتئینی پر تکراری جهت توسعه ی روش های تجزیه ای جدید است. جهت تعیین ثابت پیوند بین FA و BSA، ابتدا BSA بر روی یک چیپ سنسور طلا جذب می شود و سپس FA توسط یک پمپ سرنگی از روی آن عبور می کند.

اندرکنش پروتئین/دارو: اسید فرولیک و سروم آلبومین گاوی

شکل ۱۱) ساختار شیمیایی فرولیک اسید (a) و ساختار نواری سرم آلبومین گاوی (b)

 

تعیین دقیق وجود یون های فلزی سنگین

SPR میتواند جهت آشکارسازی یون های فلزی سنگین مورد استفاده قرار گیرد. در این روش باید چیپ سنسوری بیولوژیکی یا شیمیایی بهینه ای شده ای که مخصوص به یک آنالیت است ساخته شود و عملکرد این چیپ باید به نحوی باشد که با گونه های دیگر موجود در محلول نمونه تداخل ایجاد نکند. به عنوان مثال یک سطح سنسوری پوشیده شده با آپومتالوتیونین (یعنی متالوتیونین بدون فلز) می تواند برای تشخیص گزینشی +Hg2 و +Cd2 مورد استفاده قرار گیرد. روش عملکرد این آشکارسازی در شکل ۱۲ نمایش داده شده است.

تعیین دقیق وجود یون های فلزی سنگین

شکل ۱۲) شماتیک نشان دهنده تغییرات ساختاری آپومتالوتیونین بر روی پیوندهای فلزی. نقاط تیره در (b) یون های فلزی را نمایش می دهند.

 

مطلب پیشنهادی: با تولید کنندگان طیف سنج تشدید پلاسمون سطحی آشنا شوید

 

[su_note note_color=”#eeeeee” text_color=”#333333″ radius=”3″ class=””]

مشتریان گرامی می‌توانند جهت تهیه انواع طیف سنج تشدید پلاسمون سطحی با شرکت اینفورتکس در ارتباط باشند .

[/su_note]

لطفا جهت استعلام قیمت محصولات مورد نظر خود از این قسمت اقدام نمایید.استعلام قیمت
+