Mô phỏng độ nhạy của cảm biến quang học sử dụng đồng tạo hiệu ứng cộng hưởng bề mặt trên lăng kính để ứng dụng trong chẩn đoán bệnh

- MÔ PHỎNG ĐỘ NHẠY CỦA CẢM BIẾN QUANG HỌC.
- SỬ DỤNG ĐỒNG TẠO HIỆU ỨNG CỘNG HƯỞNG BỀ MẶT TRÊN LĂNG KÍNH ĐỂ ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN BỆNH.
- Simulation of sensitivity of optical sensor based on prism using copper induced surface plasmon resonance for disease diagnosis.
- Cảm biến quang học, chẩn đoán, độ nhạy, hiệu ứng cộng hưởng bề mặt.
- Diagnosis, Optical sensor, Surface plasmon resonance, Sensitivity.
- The paper is to present the simulation results of the surface plasmon resonance (SPR) sensor using transfer matrix method for multilayer films.
- Surface plasmon resonance can be generated by depositing one layer of metal with thickness of less than 100 nm.
- Bài báo trình bày kết quả mô phỏng cho cảm biến quang học được phủ đồng (Cu) để tạo hiệu ứng cộng hưởng bề mặt sử dụng ma trận truyền tải cho nhiều lớp kim loại.
- Hiệu ứng cộng hưởng bề mặt được tạo ra bằng cách phủ một lớp kim loại với độ dày thích hợp (d ≤ 100 nm) trên bề mặt một chất có chiết suất lớn như lăng kính.
- Kết quả mô phỏng cho thấy lớp phủ Cu với độ dày khoảng 50 nm đã cho thấy thành phần sóng từ trường nằm ngang (transverse magnetic field) tạo nên hiệu ứng cộng hưởng bề mặt với độ nhạy khoảng 99,5 o /RIU.
- Kết quả này có thể dùng để tiến hành thực nghiệm chế tạo cảm biến quang học dùng để phát hiện và đo lường nồng độ các protein trong máu như fibrinogen (bệnh tim), tau- protein (bệnh mất trí nhớ) để ứng dụng trong chẩn đoán bệnh, giá thành rẻ hơn và độ nhạy tương đối cao..
- Mô phỏng độ nhạy của cảm biến quang học sử dụng đồng tạo hiệu ứng cộng hưởng bề mặt trên lăng kính để ứng dụng trong chẩn đoán bệnh.
- Cảm biến quang học sử dụng hiệu ứng cộng hưởng bề mặt có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như vật lý, hóa học, sinh học và y dược, đặc biệt là trong lĩnh vực chẩn đoán bệnh (Liedberg et al., 1995.
- Melendez et al., 1997.
- Chiang et al., 2007.
- Andreas Otto và Kretshmann – Rather là những nhà khoa học đầu tiên nghiên cứu về hiệu ứng cộng hưởng bề mặt (Otto, 1968.
- Họ chứng minh rằng hiệu ứng cộng hưởng bề mặt có thể được tạo ra với những cấu trúc khác nhau dựa trên hiện tượng quang học gọi là phản xạ giảm toàn phần (attenuated total reflection) (Otto, 1968;.
- Hầu hết các cảm biến quang học.
- sử dụng hiệu ứng cộng hưởng bề mặt đều sử dụng lăng kính với một lớp kim loại mỏng phủ lên trên bề mặt (Homola và Yee, 1996.
- Dostalek et al., 2001.
- Xu et al., 2005).
- Dựa trên cấu trúc này, độ nhạy và tính chọn lọc có thể được điều chỉnh dựa trên độ dày của lớp kim loại và sự bổ sung các nhóm chức như –COOH, -NH 2 trên bề mặt của cảm biến.
- Với cấu trúc sử dụng lăng kính, hiệu ứng cộng hưởng bề mặt có thể được tạo ra bằng cách chiếu tia sáng đơn sắc (λ = 632,8 nm), tới lăng kính.
- Sau khi tia sáng đến bề mặt kim loại thì một phần tia sẽ phản xạ, phần còn lại là sẽ tạo ra hiệu ứng cộng hưởng bề mặt với cường độ suy giảm theo khoảng cách ra xa khỏi bề mặt.
- trong đó chỉ có thành phần sóng từ trường ngang mới có thể tạo được hiệu ứng cộng hưởng bề mặt.
- Khi đó, cần phải điều chỉnh góc tới của tia sáng thỏa mãn điều kiện sau để tạo nên hiệu ứng cộng hưởng bề mặt (Ctyroky et al., 2005):.
- ε m là hằng số điện môi của kim loại.
- Thêm vào đó, kim loại được sử dụng chủ yếu là vàng (Au), bạc (Ag), nhôm (Al) (Liedberg et al., 1995.
- Xu et al., 2005;.
- Năm 1999, Slavik và các cộng sự thuộc Viện Điện tử và Công nghệ Vô tuyến – Cộng Hòa Séc, đã sử dụng Au để phủ lên trên lõi sợi quang để làm cảm biến với độ nhạy khá cao vào khoảng 10 -5 (RIU) và đạt được độ bền tốt về cả mặt hóa tính và lý tính (Slavik et al., 1999).
- Tuy nhiên, Vàng là một kim loại quý và có giá thành cao.
- Việc sử dụng nguyên liệu này để làm cảm biến sẽ không hiệu quả về mặt kinh tế, gây khó khăn cho việc triển khai thực tiễn và thương mại hóa sản phẩm (Homola, 1995.
- Ctyroky et al., 1999.
- Slavik et al., 1999).
- Năm 2004, Iga và cộng sự thuộc trường Đại học Soka - Nhật bản, đã sử dụng Ag để thay thế Au làm kim loại cho cảm biến với độ nhạy đạt được là 10 -4 (RIU) (Iga et al., 2004).
- Tuy nhiên, nhược điểm của cảm biến làm từ Ag là độ bền hóa học kém do Ag dễ bị oxy hóa.
- Để vượt qua những nhược điểm này, nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết về kết hợp các loại kim loại đã được công.
- bố như: Công trình nghiên cứu về cảm biến sử dụng kết hợp 2 kim loại Au – Al của Abdelmalek (2001).
- (2002) với sự kết hợp 2 kim loại là Ag - Au để làm cảm biến;.
- (2007), về sử dụng Au - Ag.
- (2017) đã sử dụng Bạc – Nhôm..
- Bài báo này nghiên cứu độ nhạy của cảm biến sử dụng lăng kính dựa trên sự kết hợp của kim loại Cu.
- Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng kim loại với độ dày là 50 nm sẽ cho kết quả tốt nhất..
- Việc kết hợp sử dụng Cu để chế tạo cảm biến quang học ứng dụng trong chẩn đoán bệnh sẽ mang lại nhiều thuận lợi như giá thành thấp, dễ chế tạo và mang tính ứng dụng cao..
- Tia laser sẽ được chiếu vào đáy lăng kính có phủ lớp kim loại với một góc thích hợp..
- Khi đó, một phần tia sáng sẽ được truyền tải kết hợp với dao động của các điện tử trên bề mặt kim loại để tạo nên hiệu ứng cộng hưởng bề mặt.
- Một phần sẽ phản xạ trở lại lăng kính, tia phản xạ sẽ được dùng để ghi tín hiệu khi có sự thay đổi ở môi trường cảm biến.
- Để đạt được hiệu suất cao trong việc tạo hiệu ứng cộng hưởng bề mặt, góc tới của tia laser cần phải được điều chỉnh để thỏa mãn phương trình (1)..
- Hình 1: Cấu trúc thông dụng của cảm biến sử dụng hiệu ứng cộng hưởng bề mặt.
- Vật liệu được sử dụng trong mô phỏng là lăng kính, đồng, nước chưng cất và huyết thanh (bovine serum albumin) với hằng số điện môi được đề cập bảng bên dưới..
- Bảng 1: Hằng số điện môi của một số vật liệu (Iga et al., 2004).
- Xét cấu trúc cho một cảm biến gồm có 3 lớp như sau: Lăng kính/Cu/môi trường cảm biến được mô tả như Hình 2.
- Hình 2: Cấu trúc 3 lớp của cảm biến sử dụng trong mô phỏng.
- Trong kết quả này, ánh sáng đỏ có bước sóng 632,8 nm đã được tác giả sử dụng như là một nguồn chiếu tia sáng tới trong cấu trúc của cảm biến quang học.
- Ánh sáng đỏ được sử dụng là do có độ đơn sắc cao, ít bị hấp thụ bởi môi trường chất lỏng so với các vùng sáng khác.
- Môi trường cảm biến (3) được sử dụng ở đây là nước chưng cất..
- Trước hết, sự thay đổi của ánh sáng phản xạ từ bề mặt của cảm biến được khảo sát dựa trên cấu trúc.
- cơ bản của cảm biến như sau Lăng kính/Cu/H 2 O.
- Tính chất của tia phản xạ có ý nghĩa rất lớn đối với việc tạo hiệu ứng cảm ứng bề mặt.
- Nếu cường độ tia phản xạ nhỏ, thì có nghĩa là phần lớn năng lượng hao hụt đã được chuyển hóa thành sự cộng hưởng bề mặt trên bề mặt Cu.
- Dựa vào kết quả trình bày trên Hình 4, nếu độ dày của kim loại tăng lên thì năng lượng chuyển đổi (Energy transfer) càng lớn.
- Điều này đồng nghĩa với năng lượng chuyển đổi sẽ là lớn nhất – khoảng hơn 99 % (Hình 4), điều đó dẫn tới hiệu ứng cộng hưởng bề mặt tạo ra trên bề mặt cảm biến sẽ là tốt nhất ở độ dày 50 nm này..
- Hình 4: Sự phản xạ (reflection) và sự chuyển đổi năng lượng (energy transfer) để tạo hiệu ứng cộng hưởng bề mặt với độ dày tương ứng của Cu.
- Để minh chứng cho độ dày thích hợp của lớp phủ Cu, độ nhạy của cảm biến đã được tính.
- Trong phần tính này, độ dày của lớp phủ Cu là 50 nm, bước sóng của tia laser là 632,8 nm, chiết suất của môi trường cảm biến sẽ được thay đổi từ RIU), tương ứng với độ rộng vùng đo của cảm biến được dùng trong mô phỏng này là 0,02 RIU.
- Cần chú ý rằng độ rộng vùng đo của cảm biến phụ thuộc vào độ dày và bản chất kim loại sử dụng..
- Độ nhạy (sensitivity) của cảm biến sẽ được tính theo công thức như sau (Gupta và Sharma, 2005):.
- Trong đó, S là độ nhạy của cảm biến, ψ là góc tới của tia laser, n là chiết suất của môi trường cảm biến.
- Đây là độ nhạy tương đối cao của một cảm biến chỉ sử dụng một lớp kim loại mà không có bất kì kim loại hay hợp kim bổ trợ nào khác như Ag, Au, Al, ZnO, SiO 2 để tăng cường độ nhạy..
- Hình 5: Sự phụ thuộc của độ nhạy cảm biến và độ dày của lớp Cu Việc sử dụng Cu để làm lớp phủ kim loại trên.
- bề mặt cảm biến sử dụng hiệu ứng cộng hưởng bề mặt mang lại một số ưu điểm sau: Một là, mang lại hiệu quả về mặt kinh tế vì Cu có giá thành rẻ hơn so với các kim loại khác thường dùng trong cảm biến như Au, Ag (Xu et al., 2005.
- Sharma et al., 2007).
- Hai là, do Cu có khả năng bám dính cao nên có thể dễ dàng phủ thêm các lớp khác như ZnO, TiO 2 , SiO 2 hoặc graphene để tăng độ nhạy và tăng cường khả năng bổ sung các nhóm chức hóa học như: -COOH, -NH 2 trên bề mặt của cảm biến để ứng dụng trong chẩn đoán bệnh.
- Sau cùng là, sử dụng Cu kết hợp với các kim loại khác có thể mở rộng vùng đo lớn hơn 0,02 RIU, kết quả đã đạt được trong mô phỏng này..
- Bài báo đã trình bày kết quả mô phỏng cảm biến sinh học sử dụng lớp phủ Cu làm bề mặt của cảm biến.
- Kết quả đạt được cho thấy, Cu với lớp phủ ở độ dày 50 nm sẽ cho sự chuyển hóa năng lượng để tạo thành hiệu ứng cộng hưởng bề mặt là lớn nhất với độ nhạy khoảng 99,5 0 /RIU.
- Kết quả này sẽ là tiền đề cho việc chế tạo cảm biến quang.
- học với giá thành thấp hơn do Cu có giá rẻ hơn so với các kim loại truyền thống dùng trong cảm biến như Au, Cu.
- hay SiO 2 để tăng cường độ nhạy, mở rộng vùng đo và khả năng bổ sung nhóm chức cho bề mặt cảm biến để ứng dụng cho các trường hợp đo chuyên biệt (specific detection)..
- Study of the optical properties of corroded gold-aluminum films using surface plasmon resonances.
- Effects of temperature on the surface plasmon resonance at a metal–semiconductor interface.
- Theory and modeling of optical waveguide senors utilizing surface plasmon resonance.
- Atomic force microscopical and surface plasmon resonance spectroscopical investigation of sub- micrometer metal gratings generated by UV laser based two beams interference in Au-Ag.
- Surface plasmon resonance biosensor based on integrated optical waveguide.
- Sensitivity evaluation of a multi-layered surface plasmon resonance based fiber optic sensor: a theoretical study.
- Surface plasmon resonance sensor based on planar light pipe:.
- Optical fiber sensor based on surface plasmon excitation.
- Hetero-core structured fiber optic surface plasmon resonance sensor with silver film.
- Biosensing with surface Plasmon resonance – how it all started.
- Selective gas detection by means of surface plasmon resonance sensor..
- Development of a surface Plasmon resonance sensor for commercial applications.
- Excitation of nonradiative surface plasmon waves in silver by the method frustrated total reflection.
- Near-infrared surface plasmon resonance sensing on a silicon platform.
- Fiber- Optic Sensors Based on Surface Plasmon Resonance: A Comprehensive Review.
- On the sensitivity and the signal to noise ratio of a step-index fiber optic surface plasmon resonance sensor with bimetallic layers.
- Single mode optical fiber surface plasmon resonance sensor..
- Bimetasl coated optical fiber sensors based on surface plasmon resonance induced change in birefringence and intensity.
- Integration of a miniaturized polymerase chain reaction device with surface plasmon resonance fiber sensor for the construction of an inline all-in-one device for quantitative.
- An approximate theoretical model of surface plasmon resonance optical waveguide and fibre- optic sensor.
- Bimetallic Layers Increase Sensitivity of Affinity Sensors Based on Surface Plasmon Resonance