تداخل سنجی تحریک پلاسمون سطحی

مقدمه ای بر تداخل سنجی

تداخل سنجی تکنیک تحلیلی محبوبی است که در اپتیک برای اندازه گیری تغییرات ضریب شکست، جابجایی های اندک و ناصافی های سطحی و در اسپکتروسکوپی جهت تحلیل پارامترهای جذب یا عبور مرتبط با زیرلایه مورد استفاده قرار می گیرد. در تداخل سنجی مفهوم برهمنهی به گونه ای مورد استفاده قرار می گیرد که بتوان از ترکیب و تداخل امواج خروجی تداخل سنج به حالت های ابتدایی موج دست یافت. اطلاعات فرآیندهای بیوشیمیایی می تواند با بدست آوردن تغییر فاز الگوی تداخلی تداخل سنج ها استنباط شود. سه نوع تداخل سنجی که معمولا در تداخل سنجی تحریک پلاسمون سطحی مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از تداخل سنج فابری پرو (Fabry-Perot Interferometer )، تداخل سنج ماخ زندر (Mach-Zehnder Interferometer) و تداخل سنج مایکلسون (Michelson Interferometer).

یک تداخل سنج فابری پرو (FPI) معمولا شامل یک تیغه شفاف با دو سطح بسیار بازتاب کننده است. نور به صورت جزئی از تداخل سنج بازتاب می شود و قسمت باقی مانده ی نور به عقب بازتاب می شود. تداخل سنج فابری پرو می تواند جهت اندازه گیری ضریب شکست، دما، طول موج و خواص هندسی مورد استفاده قرار گیرد. مکانیزم عملکرد تداخل سنج فابری پرو در شکل 1 نمایش داده شده است. نور به داخل کاواک ایجاد شده بین دو سطح شیشه وارد می شود و بازتاب های داخلی مکرر نور موجب ایجاد تداخل می گردد. در این تداخل سنج، سیگنال های بازتابی به عنوان سیگنال حسگری مورد استفاده قرار می گیرند. اگر فشار بر اثر حضور موارد بیوشیمیایی تغییر کند، ضریب شکست در داخل کاواک فابری پرو تغییر می کند و موجب جابجایی فرانژهای تداخلی می گردد. این پارامترهای حساس می توانند در کاربردهای اپتیکی مختلفی مورد استفاده قرار گیرند. یک تداخل سنج فابری پرو می تواند در یک نوسان ساز لیزری جهت ایجاد مدهای طولی منفرد به کار گرفته شود. قابل توجه ترین کاربرد فابری پرو در اسپکتروسکوپی اپتیکی با رزولوشن بالا است. 

تداخل سنج فابری پرو Fabry-Perot Interferometer
شکل 1) تداخل سنج فابری پرو

تداخل سنج ماخ زندر (MZI) به دلیل انعطاف پذیری، سادگی استفاده، امکان متراکم سازی چیدمان و در دسترس بودن بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. این تداخل سنج وسیله ای ساده برای ایجاد تداخل با استفاده از تقسیم دامنه است. نخست یک باریکه شکن برای تقسیم پرتو نور منبع به دو مولفه، که بعدا مجددا توسط یک باریکه شکن ثانوی باز ترکیب می شوند، مورد استفاده قرار می گید. اختلاف فاز نسبی توسط پرتوهای عبور کرده از دو مسیر اندازه گیری می شود و باریکه شکن دوم پرتویی با بازدهی بین 0 تا 100 درصد را نمایش می دهد. نمایشی از چیدمان این تداخل سنج را می توانید در شکل 2 ببینید. در تداخل سنج ماخ زندر نور با قطبش s به عنوان نور مرجع برای کاربردهای خاصی مورد استفاده قرار می گیرد. نورهای با قطبش s و p جهت تداخل و ایجاد مجموعه ای از فرانژ ها بعد از گذشت از بازوی شامل نمونه بازترکیب می شوند. فرانژهای تداخلی اختلاف مسیری برابر 2π رادیان را بین پرتوی مرجع و پرتو عبوری از نمونه نشان می دهند. هر گونه تغییری در نمونه باعث تغییر مکان فرانژها خواهد شد. 

تداخل سنج ماخ زندر Mach-Zehnder Interferometer
شکل 2) تداخل سنج ماخ زندر

تداخل سنج مایکلسون شامل یک منبع نور تکرنگ است  و نور این منبع نور پس از عبور از یک باریکه شکن و تقسیم شدن به دو پرتو و بازتاب شدنشان از دو آینه کاملا بازتابنده، مطابق شکل 3 مجددا به هم می پیوندند. در صورت استفاده از منبع نور سفید، به علت طول همدوسی بسیار پایین (در حد میکرومتر)، طول بازوهای تداخل سنج باید بسیار دقیق و با دقت تعیین شوند. 

تداخل سنج مایکلسون Michelson Interferometer
شکل 3) تداخل سنج مایکلسون

 

آشکارسازی فازی SPR با استفاده از چیدمان های تداخل سنجی

جهت بهبود آشکارسازی و قابلیت های حسگری سنسورهای SPR، تکنیک های تداخل سنجی با هدف اندازه گیری فاز SPR مورد استفاده قرار می گیرند. وقتی  دو پرتو توسط تداخل سنجی ترکیب می شوند، حساسیت سنسور SPR افزایش می یابد و جهت تعیین فاز موج نوری بازتابی، اطلاعات از الگوهای تداخلی استخراج می شود. ترکیب سه تکنیک تداخل سنجی مختلف (فابری پرو، ماخ زندر و مایکلسون) با SPR در اینجا مورد بررسی قرار خواهد گرفت. چیدمان های تداخل سنجی SPR برای توسعه سنسورهای حساس به فاز SPR با بازدهی بالاتر و قابلیت آشکارسازی مولکول های کوچکتر مورد استفاده قرار می گیرند. 

آشکارسازی فازی SPR توسط تداخل سنج فابری پرو

پیشرفت های اخیر تداخل سنج فابری پرو جهت تصویربرداری عملی توسط بیوسنسور SPR افتراق فازی چند بار گذر به نمایش گداشته شده است. این سنسور شامل ساختاری چندلایه با الگوریتم بهبود یافته است. در سال های اخیر سنسورهای SPR در بین جامعه بیوحسگری محبوبیت یافته اند. فاز SPR توسط فابری پرو به گونه ای اندازه گیری می شود که سیگنال نوری جهت بدست آوردن اثر جابجایی فاز SPR، به دفعات از سنسور عبور می کند و بنابراین فاز SPR را تقویت می کند. یک سیستم مبتنی بر افتراق فاز SPR به همراه پیکربندی فابری پرو در شکل 4 نمایش داده شده است.

استفاده از پیکربندی تداخل سنج فابری پرو جهت اندازه گیری افتراق فاز SPR
شکل 4) استفاده از پیکربندی تداخل سنج فابری پرو جهت اندازه گیری افتراق فاز SPR

 نتایج تجربی بدست آمده از برهمکنش پیوندی پروتئین-دی ان ای و آنتی بادی-آنتی ژن با استفاده از تداخل سنج فابری پرو و مشارکت تداخل سنج مایکلسون، به ترتیب تقویت فازی از مرتبه 2.26 و 2 را نسبت به پیکر بندی متداول ماخ زندر نشان می دهد. بنابراین حساسیت افزایش می یابد و رزولوشن بر دلیل اثر تقویت فازی بهبود می یابد.

آشکارسازی فازی SPR توسط تداخل سنج ماخ زندر

هدف اصلی تداخل سنج ماخ زندر تعیین تغییرات فاز در زمان رخ دادن SPR و معین کردن آستانه حساسیت تداخل سنج ماخ زندر با تغییر n به Δn است. چیدمان ساخت یک بیوسنسور بسیار حساس به وسیله تداخل سنج ماخ زندر در اینجا معرفی شده است. ویژگی کلیدی این چیدمان در استفاده از یک منشور ولاستون است که جهت بررسی همزمان قطبش های s و p و اندازه گیری فاز از آن استفاده می شود. چون SPR تنها بر روی قطبش p اثر می گذارد، قطبش s به عنوان مرجع مورد استناد قرار می گیرد. بنابراین نویز فازی ایجاد شده در مسیر با گرفتن اختلاف فازی بین قطبش های s و p می تواند حذف شود و تغییر فاز ناشی از SPR باقی بماند. حساسیت (8-)^10×5.5 واحد ضریب شکست می تواند توسط این چیدمان و با ترکیب گلیسیرین/آب بدست آید. با استفاده از طلا به عنوان سطح سنسوری میتوان بهبود قابل ملاحظه ای در اندازه گیری ها ایجاد کرد. 

چیدمان آزمایشگاهی مورد استفاده جهت اندازه گیری تغییر فاز افتراقی SPR
شکل 5) چیدمان آزمایشگاهی مورد استفاده جهت اندازه گیری تغییر فاز افتراقی SPR

 یک بیوسنسور SPR دوبار گذر ترکیبی از تداخل سنج های ماخ زندر و مایکلسون است که به دلیل اثر تقویت فازی (همانگونه که در شکل 6 مشخص است) حساسیت آشکارسازی را از مرتبه 2 افزایش می دهد. این روش برای آشکارسازی بیومولکول های با وزن مولکولی پایین مناسب است. 

چیدمان آزمایشگاهی شامل تداخل سنج های ماخ زندر و مایکلسون جهت اندازه گیری فاز افتراقی
شکل 6) چیدمان آزمایشگاهی شامل تداخل سنج های ماخ زندر و مایکلسون جهت اندازه گیری فاز افتراقی