فوتونیک: حسگری با نانوحفره‌ها

محققان سنگاپور سیستم جدیدی برای شناسایی مولکولی ارائه کرده‌اند. در این
سیستم از فیلم‌های نازک فلزی متخلخل استفاده شده است. این گروه دو چیدمان
مختلف برای شناسایی مولکول‌ها ارائه کرده‌اند که هر یک می‌تواند مزایای خاص
خود را داشته باشد.

شناسایی مقادیر اندک از مولکول‌ها موضوع مهمی است که در حوزه‌های مختلف از
حسگرهای گازی گرفته تا تشخیص پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای این که
بتوان از این سیستم‌ها در حوزه‌های مختلف استفاده کرد باید حسگرها ارزان و
قابل تعویض بوده و در عین حال باید بتوانند مقادیر بسیار کم مولکولی را نیز
شناسایی کنند. پینگ بای و همکارانش از موسسه محاسبات عملکرد بالا در موسسه
آاستار سنگاپور در آخرین تحقیقات خود روی خواص فیلم‌های فلزی متخلخل کار
کرده‌اند تا در صورت امکان بتوانند از آنها در حسگری مولکولی استفاده کنند.
فیلم‌های فلزی دارای حفره‌های نانومقیاس قادرند پرتوهایی با طول موج مشخصی
را از خود عبور دهند. دلیل این امر جنبش‌های انتخابی الکترونی در سطح فلز
است که به آن پلاریتون‌های پلاسمون سطحی گفته می‌شود. این ویژگی موجب می‌شود
که بتوان پرتوهای نور را در نقطه‌ای بسیار کوچک‌تر از طول موج نور متمرکز
کرد.

 
 
پلاریتون‌های پلاسمون سطحی برای شناسایی مولکول‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد برای
این کار باید از اتصال‌دهنده‌های فلورسانس به مولکول هدف استفاده کرد. تابش
فلورسانس این مولکول‌ها با استفاده از پلاریتون‌های پلاسمون سطحی افزایش محسوسی می‌یابد.
با این کار می‌توان با میکروسکوپ مقادیر بسیار اندک از نمونه را مشاهده کرد. بای می‌گوید
تمام این سیستم را می‌توان در یک بسته کوچک قرار داد.

این گروه تحقیقاتی دو چیدمان مختلف برای این سیستم ارائه کرده‌اند در اولین چیدمان،
نور از یک نانوحفره عبور کرده و با زاویه‌ای منفرجه به نمونه برخورد می‌کند. در
دومین چیدمان، یک نور از پشت به فیلم تابیده شده به‌طوری که می‌تواند از همان
نانوحفره کند. نتایج کار محققان نشان داد که هر یک از این چیدمان‌ها مزایای خا‌ص
خود را دارند.

در چیدمان “انعکاسی”، اثر پلاریتون‌های پلاسمون سطحی قوی‌تر بوده به‌طوری که نور
به‌طور مستقیم به نمونه برخورد می‌کند. در این حالت نور از فیلم عبور نمی‌کند البته
یک فیلم ضخیم‌تر نیز در این حالت نیاز است. اما در چیدمان “عبور”، شدت تابش نشر
یافته بوسیله مولکول ضعیف‌تر است اما مزیت آن این است که می‌توان فیلترها و
حسگرهایی را در کنار فیلم فلزی قرار داد. در نتیجه ضخامت فیلم می‌تواند کمتر شود.

نمی‌توان گفت که کدام سیستم بهتر است اما چیزی که می‌توان گفت این است که استفاده
از فیلم فلزی حاوی حفره‌های نانومقیاس برای شناسایی مولکولی بسیار مفید است.

نتایج این تحقیق در قالب مقاله‌ای تحت عنوان Reflection and transmission modes in
nanohole-array-based plasmonic sensors در IEEE Photonics Journal به چاپ رسیده
است.