عنوان

طراحی و ساخت زیست حسگر گرافنی پلاسمونی

پ۲۸۷۰۱

per

طراحی و ساخت زیست حسگر گرافنی پلاسمونی

حسن نصیری مردانقم

مهندسی برق و کامپیوتر

۱۴۰۲

۸۸ص.

سی دی

دکتری

مهندسی برق گرایش الکترونیک

۱۴۰۲/۰۱/۲۶

زیست حسگرها امروزه به خاطر افزایش کاربرد در زمینه‌های سلامت، تشخیص بیماری و تغذیه مورد توجه بسیاری از پژوهشگران حوزه‌های شیمی، فیزیک و رشته‌های مهندسی قرار گرفته‌اند. به دلیل پیچیدگی ساخت حسگرهای زیستی، این فرایند زمان‌بر و گاهی پرهزینه است، از این¬رو دانشمندان فعال در این حوزه به دنبال ایجاد و یا ارائه روشی برای افزایش سرعت رسیدن به آرایش مطلوب با پاسخ¬دهی مناسب زیست حسگرها هستند. استفاده از زیست¬حسگرهای الکتروشیمیایی به دلیل دقت بالا و بی¬اثر بودن بر روی سطح حسگری، مورد توجه محققان این حوزه قرار گرفته است؛ از آنجا که ساخت زیست¬حسگرهای الکتروشیمیایی نیازمند بهینه‌سازی بصورت تجربی و با آزمایش‌های مکرر است، در این رساله سعی به معرفی یک مدل از زیست¬حسگرهای الکتروشیمیایی کم هزینه با پاسخ‌دهی سریع در تشخیص لاکتوز شده است. این نوع زیست حسگر مبتنی بر گرافیت کربن نیترید بوده، که توسط مغناطیسی کردن کیتوزان با نانومواد مغناطیسی، جهت دریافت و عاملدار شدن با سلولوبیوز دی هیدروژناز (عامل تشخیص لاکتوز) قابل آماده¬سازی است. آزمایش‌های حسگری و تکرار پذیری نشان می‌دهد که ناحیه خطی این زیست¬حسگر در محدوده 9/0 تا 100 میلی¬مولار بوده و دارای حد تشخیص 3/0 میلی¬مولار و حساسیت 4/4 میکروآمپر بر میلی¬مولار است و در این ناحیه قابلیت پیش‌بینی دارد. بررسی تکرارپذیری این زیست حسگر بعد از چهار روز نشان دهنده¬ی افت عمکرد تنها به انـدازه¬ی 15% جریان¬دهـی روز اول بـوده و پس از چـهار هفته حدود 50% از کـارایی خود را از دست می‌دهد، که ناشی از عدم فعالیت آنزیم‌ها است. این خصوصیات باعث می¬شود که زیست¬حسگر معرفی شده، بعنوان یک زیست¬حسگر سریع و با قابلیت اطمینان بالا مطرح شود. سپس از همین کامپوزیت با روش تشدید پلاسمون¬های سطحی، زیست¬حسگر نوری طراحی و آزمایشات نوری انجام گردید و مشخصات نوری کامپوزیت مربوطه با استفاده از شرایط مرزی بین فلز-دی‌الکتریک محاسبه و سپس توسط نرم¬افزار لومریکال شبیه¬سازی گردید. در آزمایش زیست¬حسگر طراحی شده نسبت به روش الکتروشیمی نتایج قابل توجه‌تری شامل حد تشخیص 6 میکرومولار و بازه خطی 01/0 تا 100 میلی¬مولار حاصل شد. در ادامه این رساله در راستای طراحی یک زیست¬حسگر پلاسمونیکی مبتنی بر گرافن از گرافن اکسید به عنوان بستر اصلی، پلی آنیلین، کیتوزان و فروسن استفاده شده است. خصوصیات اپتیکی (ضریب-گذردهی الکتریکی) مواد به¬صورت جداگانه در طول¬موج 670 نانومتر و با استفاده از شرایط مرزی بین ماده موردنظر و سطح فلز (لایه نازک طلا) محاسبه و با روش FDTD ساختار مورد نظر شبیه¬سازی شده است. نتایج عملی در تعامل خوبی با ساختار شبیه¬سازی شده قراردارند. در ادامه کار با استفاده از ویژگی¬های نوری مواد موردنظر و با روش تئوری موثر محیط (روش ماکسول-گارنت) ویژگی‌های اپتیکی کامپوزیت حاصل از مواد موردنظر، در نسبت¬های مختلف محاسبه گردید و با توجه به نتایج شبیه¬سازی و شرایط ساخت کامپوزیت موردنظر و مستحکم بر روی لایه نازک طلا، نهایتا GoFc/PANI/CS‌‌به¬عنوان ساختار کامپوزیت، مورد تایید قرار گرفته است. کامپوزیت GoFc/PANI/CS با روش لایه¬نشانی چرخشی بر روی الکترود طلا متشکل از یک لایه نازک طلا با ضخامت50 نانومتر روی بستر شیشه، لایه¬نشانی شد. جهت بررسی ساختار حسگری کامپوزیت از 3 ماده گلوکز، ساکارز و لاکتوز استفاده گردید. در نهایت زیست¬حسگر مورد نظر با حد تشخیص 5/0 میکرومولار در ناحیه 5/0 تا500 میکرومولار برای گلوکز ساخته شد.

AbestractToday, biosensors have attracted the attention of many researchers in the fields of chemistry, physics, and engineering fields due to their increased use in the fields of health, disease diagnosis, and nutrition. Due to the complexity of making biosensors, this process is time-consuming and sometimes expensive, therefore, active scientists in this field are looking to create or provide a method to increase the speed of reaching the desired arrangement with the appropriate response of biosensors. The use of electrochemical biosensors has attracted the attention of researchers in this field due to their high accuracy and ineffectiveness on the sensing surface; Since the construction of electrochemical bio-sensors requires optimization experimentally and with repeated tests, in this thesis, an attempt has been made to introduce a model of low-cost electrochemical bio-sensors with fast response in lactose detection. This type of biosensor is based on graphitic carbon nitride, which can be prepared by magnetizing chitosan with magnetic nanomaterials, to receive and be functionalized with cellobiose dehydrogenase (lactose detection agent). Sensing and reproducibility tests show that the linear region of this bio-sensor is in the range of 0.9 to 100 millimolar and has a detection limit of 0.3 millimolar and a sensitivity of 4.4 microamperes/millimole. It is predictable. Examining the repeatability of this biosensor after four days shows a decrease in performance; It was only 15% of the flow on the first day and after four weeks it lost about 50% of its efficiency. This type of biosensor is based on graphitic carbon nitride, which can be prepared by magnetizing chitosan with magnetic nanomaterials, to receive and be functionalized with cellobiose dehydrogenase (lactose detection agent). Sensing and reproducibility tests show that the linear region of this bio-sensor is in the range of 0.9 to 100 millimolar and has a detection limit of 0.3 millimolar and a sensitivity of 4.4 microamperes/millimole. It is predictable. Examining the repeatability of this biosensor after four days shows a decrease in performance; It was only 15% of the flow on the first day and after four weeks it loses about 50% of its efficiency, which is caused by the inactivity of enzymes. These characteristics make the introduced bio-sensor be considered a fast bio-sensor with high reliability.Then, an optical biosensor was designed and optical tests were performed from this composite using the surface plasmon resonance method, and the optical characteristics of the corresponding composite were calculated using the metal-dielectric boundary conditions and then simulated by Lumerical software. To test the designed biosensor, the same materials were used in the electrochemical test, which obtained better results than the electrochemical method, with a detection limit of 6 μM and a linear range of 0.01 to 100 mM. In the continuation of this treatise, to design a plasmonic bio-sensor based on graphene, it has been tried to use graphene oxide as the main substrate, polyaniline, chitosan, and ferrocene. The optical properties (electrical conductivity) of the materials have been calculated separately at a wavelength of 670 nm using the boundary conditions between the desired material and the metal surface (thin layer of gold) and the desired structure has been simulated by the FDTD method. The practical results are in good interaction with the simulated structure.In the continuation of the work, using the optical properties of the desired materials and the effective medium theory method (Maxwell-Garnet method), the optical properties of the composite obtained from the desired materials were calculated in different ratios and according to the simulation results and manufacturing conditions. The intended and strong composite on the thin layer of gold, finally GoFc/PANI/CS has been approved as a composite structure. The graphene composite was deposited by rotary deposition method at a speed of 3000 rpm on a gold electrode consisting of a thin layer of gold with a thickness of 50 nm on a glass substrate. To investigate the structure of the composite sensor, 3 materials glucose, sucrose, and lactose were used. Finally, the intended biosensor was made with a detection limit of 0.5 μM in the range of 0.5 to 500 μM for glucose.

Design and fabrication of plasmonic graphene biosensor

نصیری مردانقم‏،

حسن‏

تهیه کننده

‏باغبان‏،

‏تیموری مفرد،

‏مختارزاده،

حامد ‏

رضا ‏

احد ‏

استاد راهنما

استاد مشاور

استاد مشاور

‏ تبریز