تحلیل و طراحی ساختار پلاسمونیک برای استفاده در سیکل های حرارتی و اندازه گیری آزمایشگاه روی تراشه و میکروPCR
Parallel Title Proper
Design and analysis of plasmonic nanostructure applicable for heating and sensing cycles of Lab-on-chip and micro-PCR
First Statement of Responsibility
/امیر اصغریان
.PUBLICATION, DISTRIBUTION, ETC
Name of Publisher, Distributor, etc.
: مهندسی برق و کامپیوتر
Date of Publication, Distribution, etc.
، ۱۳۹۹
Name of Manufacturer
، کبیری
PHYSICAL DESCRIPTION
Specific Material Designation and Extent of Item
۱۰۸ص
NOTES PERTAINING TO PUBLICATION, DISTRIBUTION, ETC.
Text of Note
چاپی - الکترونیکی
DISSERTATION (THESIS) NOTE
Dissertation or thesis details and type of degree
دکتری
Discipline of degree
مهندسی برق گرایش الکترونیک
Date of degree
۱۳۹۹/۰۶/۲۲
Body granting the degree
تبریز
SUMMARY OR ABSTRACT
Text of Note
آزمایشگاه روی تراشه ها (LOC) یکی از مهمترین و به روزترین زمینه های تحقیقاتی میباشد که ترکیبی از آزمایشگاه های فیزیک، شیمی و بیوپزشکی بر روی یک تراشه با ابعاد چند اینچ میباشد، LOC ها به نمونه بسیار کمی برای آنالیز نیاز دارند و همین مساله علت اصلی سرعت پاسخ دهی و پردازش در LOC ها میباشد .آشکار سازی دقیق و سریع باعث توانمندی پزشکان در تشخیص و درمان سریع بیماری و جلوگیری از انتشار بیشتر بیماری میگردد .از جمله چالش های پیش روی LOC ها سیکل های گرمایش و سرمایش سریع و یکنواخت ما بین دو یا سه کمیت دمایی مختلف میباشد، اندازه گیری دقیق و بلادرنگ دما و همچنین اندازه گیری چگالی یک ماده خاص در محیط آنالیت از دیگر چالش های پیش روی LOC ها می باشد .ما نانوساختار پلاسمونیکی را پیشنهاد میدهیم که هر سه چالش مطرح شده را بهبود خواهد بخشید و علاوه بر ایجاد سیکل های حرارتی سریع و یکنواخت، امکان اندازه گیری دقیق و بلادرنگ دما و غلظت را بدون نیاز به برچسب زنی نمونه انجام خواهد داد .برای رسیدن به این اهداف نانو ساختاری را پیشنهاد داده ایم که که از آرایه ای از نانو مکعب های حفره دار بر روی فیلم نازک طلا همراه با فاصله انداز های SiO۲ تشکیل شده است .زمانیکه ساختار تحت نور تخت قرار میگیرد هر دو نوع پلاسمونیک های سطحی LSP و PSP تحریک میشوند، LSP در نانو مکعب ها ی حفره دار و PSP در سطح فیلم نازک بواسطه ناهمواری ایجاد شده بکمک نانو مکعب ها تحریک میصشود SPs .ها موجب افزایش شدید و سریع حرارت در ساختار و انتقال آن به محیط اطراف میشود و از طرفی طیف باریک PSP میتواند به عنوان سنسور پلاسمونیک ضریب شکست مورد استفاده قرار گیرد .تغییر دما میتواند باعث تغییر ضرایب ترمواپتیک لایه ها و به تبع آن تغییر در طیف PSP گردد و لذا میتوان به عنوان سنسور بلادرنگ دما مورد استفاده قرار گیرد .همچنین در دمای ثابت و حالت پایدار با تغییر چگالی یک ماده خاص در محیط آبی اطراف ساختار باز هم طیف PSP دچار تغییر شده و لذا میصتواند به عنوان سنسور غلظت مورد استفاده قرار گیرد .تولید و توزیع حرارت در ساختار مورد بررسی کامل قرار گرفته و سپس طیف بازگشتی از ساختار در دماها و چگالی های مختلف مورد بحث واقع شده است .همچنین روش دیگری برای انجام سیکل های حرارتی در آزمایشگاه روی تراشه ها پیشنهاد داده و مورد بررسی قرار گرفت .در این روش ما موجبر تختی را در نظر گرفتیم که ناحیه کاور آن آب که در واقع نقش آنالیت را بر عهده دارد فرض شده است و بعد از بهینه سازی مشخصات موجبر برای داشتن حداکثر گرادیان شدت تابش در مرز ناحیه هدایت و ناحیه کاور، نانو ساختار پیشنهادی در مرز ناحیه هدایت و کاور قرار داده شد و تغییرات دمایی آن که در اثر پلاسمونیک سحطی که با تحریک میدان میرای نفوذی به ناحیه کاور ایجاد میگردد ، مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد که این روش نیز میتواند به عنوان هیتر در آزمایشگاه روی تراشه ها مورد استفاده قرار گیرد
Text of Note
PCR. For this purpose Most of the conventional LOCs use labeling the sample[12] while labeling the sample is not suitable for POC testing. In this thesis, we propose a plasmonic nanostructure that improve all three of the challenges of the LOCs described above and simultaneously perform rapid heating cycles and precise and real-time measurement cycles of temperature and concentration. To achieve these goals, we propose a plasmonic nano-structure composed of an array of gold porous nanocubes on gold film with a SiO2 spacer. When the structure is exposed to plane wave incident light the LSP and PSP are both excited in this composite structure, LSP are excited on the surface of porous nanocubes and PSP are excited on the surface of the gold film, act as plasmonic heaters and the PSP narrow spectrum utilized as a plasmonic RI sensor, The temperature change causes the thermo-optic coefficients of the structure and surrounding medium to change. It can therefore be used to measure real-time temperature. At constant temperature and steady state, changing the concentration of some particular particles in the aqueous medium, changes the spectrum of PSP and can therefore be used as a concentration sensor. We investigate the generation of heat in structure and analyze the reflection spectrum and electric fields distribution in difference regions of structure at main excitation modes using the finite difference time domain (FDTD) method and solving the thermal equation as well. In the other section of this thesis, we proposed another method for performing thermal cycles in the lab on chips. In this method, we considered a planar waveguide whose cover region is assumed to be water, which in fact acts as an analyte, and after optimizing the waveguide characteristics to have a maximum intensity gradient at the boundary between the guide and the cover region, the proposed nanostructure It was placed at the boundary of the guide and cover region and its temperature changes due to surface plasmonic resonance stimulated by evanescent field penetrated to the cover region were investigated and the results showed that this method can also be used as a heater in the lab on chipsإ Lab-on-chip (LOC) technology is the most important and promising research field that has integrated of various physical, chemical and biomedical laboratories in a single chip of a few inches in size. LOCs need small sample volume for the analysis and thus they have a rapid response and short analysis time. Rapid detection and analysis empowers clinicians to diagnose the illness and order appropriate treatment and preventing disease outbreaks and saving valuable resources. One of the challenges of LOCs is the heating and cooling cycles between two or three discrete temperature values. Most of the conventional LOCs have an embedded electric heater on the channel surface[8]. These types of heaters have slow and non-uniform thermal cycles.More recently, efforts have been made to realize the LOCs based on plasmonic photothermal heating of gold nanoparticles[6,9], but in this method, the nanoparticle- based sample preparation is not suitable for point of care (POC) testing. Another challenge with LOC is the rapid and accurate measurement of temperature in thermal cycles. Most common LOCs use a contact thermistor to measure temperature[10]. This method require a complicated fabrication process to integrate the heater and resistance temperature sensor on the chip in direct contact with sample and also have a slow measurement rate. Another LOC uses fluorescence thermometry to measure temperature in thermal cycles[11], but quantum dot-based sample preparation is not ideal for POC testing. Another disadvantage of this method is the interference of source light and quantum dots emission, which can reduce the measurement accuracy. Another challenge with LOCs is the rapid and accurate measurement of a particular particles concentration in the final step. For example DNA concentration after amplification in
PARALLEL TITLE PROPER
Parallel Title
Design and analysis of plasmonic nanostructure applicable for heating and sensing cycles of Lab-on-chip and micro-PCR