نانو الکترونیک مولکولی و نانو حسگر های پلاسمونیک (Nano sensor plasmonic)

نانو حسگر های الکترونیکی _ پلاسمونیک در واقع گستره حرکت این حسگرها در ابعاد نانومتری است. به همین دلیل از دقت و واکنش پذیری بسیار بالایی بهره مند هستند.

در ساختار نانو حسگر های پلاسمونیک با استفاده از فناوری نانو  الکترونیک بهبود قابل توجهی تا کنون حاصل شده است. به گونه ای که حسگرهای دقیقتر، کوچکتر و با حساسیت بالا تحت عنوان نانوحسگرهای هوشمند پلاسمونیک به دست آمده است. در طراحی یک نانو  حسگر پلاسمونیک  Nano sensor plasmonic علوم مختلف مانند بیوشیمی، بیولوژی، الکترونیک، شاخه های مختلف شیمی و فیزیک حضوردارند. قسمت اصلی یک حسگر شیمیایی یا زیستی عنصر نانو حسگر آن است. عنصر نانو حسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصر مسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه ی مورد نظر در یک نمونه ی پیچیده است. سپس آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجهی پیوند شدن عنصر نانو حسگر با گونه ی مورد نظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازه گیری تبدیل میکند. نانو حسگرهای زیستی بر اجزای بیولوژیکی نظیر آنتی بادی ها تکیه دارند. آنزیم ها، گیرنده ها یا کل سلولها میتوانند به عنوان عنصر حسگر مورد استفاده قرار گیرند.

نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف میشوند. با کنترل ابعاد نقاط کوانتومی، میدان الکترومغناطیسی، نور را در رنگها و طول موجهای مختلف، منتشر میکند. به عنوان مثال، نقاط کوانتومی از جنس آرسنیدکادمیوم با ابعاد 3 نانومتر نور سبز منتشر میکند؛ در حالیکه ذراتی به بزرگی 5/5 نانومتر از همان ماده نور قرمز را منتشر میکند. به دلیل قابلیت تولید نور در طول موجهای خاص نقاط کوانتومی، این بلورهای ریز در ادوات نوری به کار میروند. در این عرصه از نقاط کوانتومی در ساخت آشکارسازهای مادون قرمز، دیودهای انتشار دهنده ی نور میتوان استفاده نمود. آشکارسازهای مادون قرمز از اهمیت فوق العادهای برخوردارند. مشکل اصلی این آشکارسازها مسئله ی خنک سازی آنها است. برای خنک سازی این آشکارسازها از اکسیژن مایع و خنک سازی الکترونیکی استفاده میشود. این آشکارسازها برای عملکرد صحیح باید در دماهای بسیار پایین، نزدیک به 31 درجه کلوین کار کنند، بنابراین قابل استفاده در دمای اتاق نیستند، در صورتیکه از آشکارسازهای ساخته شده با استفاده از نقاط کوانتومی میتوان به راحتی در دمای اتاق استفاده کرد.نیاز به ساخت حسگرهای دقیقتر، کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده میشود به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما و یا تشعشع حساساند. بالا بردن درجه ی حساسیت، بهره و دقت این حسگرها به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگر های پلاسمونیک حسگر هایی در ابعاد نانومتری هستند که به خاطر کوچکی و نانو متری بودن ابعادشان از دقت و واکنش پذیری بسیار بالای برخوردارند، به طوریکه حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز هم عکسالعمل نشان میدهند.

برای نانو سنسور ها یک فرآیند نانو حساسیت به پلاسمونی شامل تعامل پیچیده سه عنصر در بین فوتون ها ، مولکول ها و نانو ساختار ها است. ، نانو پس ها ، نانو لوله ها و نانو ذره ها ، برای افزایش طیف سنجی رامان سطح پیشرفته و فلورسانس حساسیت در نانو حسگرهای (Nano sensor) تقویت شده پلاسمونی مبتنی بر نانو ذرات چند تا تک لایه و، تشخیص  برای بسیاری از مقاطع کوچک یا مولکولهای ضعیف جذب در نانو سنسور های پلاسمونیک دشوار است.

عملکرد ذرات شناور برای نانو حسگرهای (Nano sensor) تقویت شده پلاسمونی مبتنی بر نانو ذرات چند تا تک لایه در تعامل بین مولکولها و سطوح نانو ساختار. مبتنی بر مسیری برای تجمع کلوئیدی ، مولکولهای ضعیف جذب شده نمی توانند در طول تجمع سریع ، روی یک سطح فلزی جذب شوند. بنابراین ، این نقص طبیعی باعث می شود که این نانو سنسور ها حساسیت قابل توجهی از خود نشان ندهند. در سطح جامد با نانو ذرات دقیق فرو بردن بستر نانو سنسور در محلول حاوی آنالیت ممکن است جذب مولکول همگن را به همراه داشته باشد. با این حال ، زمان جذب (به عنوان مثال ، چند ساعت) بسیار فراتر از بازه های زمانی عملی است. در عوض، با خشک کردن قطره حاوی آنالیت بر روی یک زیر لایه، توزیع مولکول بر روی نانو حسگرهای (Nano sensor) تقویت شده پلاسمونی مبتنی بر نانو ذرات چند تا تک لایه  ممکن است مسئله یکنواختی روبرو می شوند.بومی سازی آنالیت ها به سمت نقاط داغ پلاسمونی با راندمان بالا از اهمیت بالایی در افزایش حساسیت نانو حسگرهای پلاسمونی برخوردار است.تاثیر حلقه قهوه یک پدیده بسیار متداول است و ماهیت آن این است که جریان مویرگی به بیرون از مرکز قطره قطره قطرات پراکنده را به لبه منتقل می کند که با تبخیر  ادامه می یابد . در بسیاری از شناسایی بر اساس نانوحسگرها پلاسمونیک، تشکیل یک  حلقه ممکن است در یک توزیع کاملا کنترل نشده از نانو ذرات کلوئیدی  و مولکول هدف منجر، و در نتیجه یکنواختی سیگنال رو به افول و حساسیت  کمتر در عملکرد ذرات شناور برای نانو حسگرهای (Nano sensor) تقویت شده پلاسمونی مبتنی بر نانو ذرات چند تا تک لایه به وجود می آورد.نانو حسگر های مبتنی بر پلاسمونیک به دلیل حساسیت فوق العاده آنها حتی در سطح تک مولکول ، مورد توجه قابل توجهی قرار گرفته اند. با این حال ، در حال حاضر ، نانو حسگرهای تقویت شده با پلاسمونی عملکرد های عالی را در کاربردهای عملی به دست نیاوردند و تشخیص آنها در غلظتهای فموتومولار یا اتمولار بسیار چالش برانگیز است.

تغیرات اندک در دی الکتریک اطراف نانو حجم، بر روی تشدید پلاسمون های سطحی اثر می گذارد، به طوری که این تغییرات خود را در میزان پرتو پراکنده شده ، پرتو جذب شده و یا تغییر طول موج آن نشان می دهد.

به عنوان مثال با کوچک شدن ابعاد یک ماده نانو ساختار های (نانو پلاسمونیک)  ، عموما برخی از خواص مکانیکی مواد مانند استحکام بهبود مییابد. این افزایش استحکام تنها در محدوده چند نانومتر اتفاق نمیافتد و ممکن است استحکام مادهای چند ده و حتی صد نانومتری نیز بسیار بیشتر از ماده تودهای بزرگ مقیاس باشد. از طرفی تغییر برخی خواص همانند رنگ و خواص مغناطیسی ممکن است در ابعاد تنها چند نانومتر رخ دهد.نانو پلاسمونیک بر اساس فرآیند بر هم کنش بین امواج الکترو مغناطیسی و الکترون های رسانش در فلزات با ابعاد نانو بیان شده است، به صورت تحلیلی دلیل افت سریع انرژی الکترون ها در عبور از فلزات میباشد  و نتیجه گرفت این انرژی صرف حرکت تجمعی و نوسان گونه الکترون های آزاد فلز می شود و آن را پلاسمون نامید. این نانو ساختار ها متشکل از فلز و دی الکتریک می باشد که ابعاد آنها زیر طول موج تحریکی ( طول موج پرتویی که باعث تحریک امواج پلاسمونیک می شود) قرار دارد.

در ساختمان تشکیل دهنده نانو ساختار های (نانو پلاسمونیک)  حجم ایجاد شده میدان الکترومغناطیسی به صورت موضعی ، فشرده و بهبود یافته است. نانو ساختار به عنوان هر ساختار با یک یا چند بعد تعریف می شود و در محدوده مقیاس نانو متر اندازه گیری می شود.نانو ساختار ها به مواد یا سازه هایی اطلاق می شوند که حداقل یک بعد بین 1 تا 100 نانو متر داشته باشند.اهمیت مقیاس نانو در تغییر خواص و ویژگیهای مواد در این ابعاد است. خواصی مانند رسانایی الکتریکی، خواص الکترو مغناطیسی و غیره. شروع تغییر خواص مواد با کوچکسازی آن بیش از هر چیز به نوع ماده و خاصیت مورد نظر بستگی دارد. به عنوان مثال با کوچک شدن ابعاد یک ماده، عموما برخی از خواص  الکترو مغناطیسی نانو مولکولی مواد مانند رسانایی ذرات نانو در مواد بهبود مییابد. این افزایش استحکام تنها در محدوده چند نانومتر اتفاق نمیافتد و ممکن است استحکام مادهای چند ده و حتی صد نانومتری نیز بسیار بیشتر از ماده توده ای بزرگ مقیاس باشد. با استفاده از مشخصه های اپتیکی می توان این تغییرات را اندازه گیری کرد. نوسان الکترون های سطحی و میدان الکتریکی اطراف آنها را در تشدید پلاسمون های سطحی موضعی نشان می دهد.