31763

طراحي طيف سنجي رامان تقويت شده با تيپ براي بررسي نمونه هاي زيستي

كارشناسي ارشد

فوتونيك

1400

1402/11/24

مريم بحريني

/

فيزيك

در اين پژوهش، روش طيف سنجي رامان تقويت شده با تيپ (TERS) به‌ عنوان يك روش دقيق براي بررسي نمونه هاي زيستي معرفي شده است. با استفاده از شبيه سازي به روش تفاضل محدود در حوزه زمان (FDTD) توسط نرم افزار لومريكال سعي شده ساختارهاي موردنياز، براي بررسي نمونه هاي زيستي طراحي گردد. در ابتدا با مقايسه ساختارهاي مختلف TERS و با در نظر گرفتن جنس و ابعاد و ساير پارامتر ها در شبيه‌ سازي، ايده آل ترين ساختار، با توجه‌ به تقويت ميدان الكتريكي، معرفي مي شود. براي انجام اكثر آزمايش هاي زيست ملكولي با روش TERS به تقويت ميدان قوي نياز است و براي تأمين اين تقويت، معمولا از تيپ و زير لايه هاي فلزي استفاده مي شود. با اين‌ حال، سطوح فلزي معمولاً زيست سازگار نيستند. آب‌ گريزي سطوح فلزي منجر به ‌دشواري در رسوب‌ گذاري مي شود و همچنين مي‌ تواند اثر مخربي بر ساختار پروتئين بومي يا اسيد نوكلئيك داشته باشد. براي رفع اين مشكل، لايه اي نازك از مواد زيست سازگار به‌ عنوان پوشش زير لايه استفاده مي شود. در اين پژوهش نيز به‌ منظور جلوگيري از آسيب‌ ديدن نمونه، از پنج ماده ي زيست سازگار به‌ صورت لايه اي نازك بر روي بستر هاي فلزي، استفاده شده است و تأثير آن بر تقويت در حالت‌ هاي مختلف، مقايسه مي شود. نتايج حاصل از شبيه سازي ها نشان مي دهد كه طلا، مس و نقره به ترتيب بيشترين تقويت ميدان الكتريكي را ايجاد مي كنند و وجود طلا در كنار مس و همچنين وجود طلا و مس در كنار نقره منجر به افزايش تقويت ميدان الكتريكي در اين مواد مي شود. همچنين نتايج نشان مي دهند كه جنس و ضخامت لايه ي زيرين پوشش در زير لايه و تيپ، تأثير زيادي در تقويت ميدان الكتريكي دارد. در نهايت نيز مشاهده شد كه به هنگام استفاده از پنج ماده ي زيست‌ سازگار مورد استفاده در شبيه سازي ها، به ترتيب ميكا مسكوويت، پلي استيرن، پلي وينيل پيروليدون (PVP)، پلي‌اتيلن (PE) و PNIPAM بيشترين تقويت ميدان الكتريكي را ايجاد مي كنند، با اين‌ وجود ميزان تقويت در اين پنج ماده اختلاف كمي با يكديگر دارد. همچنين مشاهده شد كه با استفاده از ‌لايه ي يك نانومتري از پوشش زيست‌ سازگار، تأثير بسيار مطلوب‌ تري در تقويت نسبت به ضخامت‌ هاي بالاتر ايجاد مي شود.

1403/10/08

Design of tip-enhanced Raman spectroscopy for analysis of biological samples

2/12/2025 12:00:00 AM

In this research, the Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) method has been introduced as a precise method for analysis of biological samples. Using Finite-Difference Time-Domain (FDTD) simulation method by Lumerical software, it has been tried to design the required structures for biological samples. At first, by comparing different TERS structures and considering the material, dimensions and other parameters in the simulation, the most ideal structure is introduced due to the electric field enhancement. Most biomolecular experiments using TERS require strong field enhancement, and metal tips and substrates are usually used to provide this enhancement. However, metal surfaces are usually not biocompatible. The hydrophobicity of metal surfaces leads to difficulty in deposition and can also have a destructive effect on the structure of native proteins or nucleic acids. To overcome this problem, a thin layer of biocompatible materials is used as a substrate coating. In this study, in order to prevent sample damage, five biocompatible materials have been used as thin layers on metal substrates and their effects on enhancement in different states are compared. The results of the simulations show that gold, copper, and silver provide the highest electric field enhancement, respectively, and the presence of gold next to copper and the presence of gold and copper next to silver lead to an increase in the electric field enhancement in these materials. The results also show that the material and thickness of the underlying coating layer in the substrate and tip have a great effect on the electric field enhancement. Finally, it was observed that when using the five biocompatible materials used in the simulations, muscovite mica, polystyrene, polyvinyl pyrrolidone (PVP), polyethylene (PE) and PNIPAM respectively create the greatest electric field enhancement, although the amount of enhancement in these five materials has a small difference from each other. It was also observed that using a 1 nm layer of biocompatible coating creates a much more favorable effect on enhancement than higher thicknesses.

طيف سنجي رامان تقويت شده با تيپ , تقويت ميدان الكتريكي , تفاضل محدود در حوزه زمان , زيست سازگار

tip-enhanced Raman spectroscopy , Electric Field Enhancement , finite-difference time-domain , Biocompatible

Fateme Sadat Khademi

Dr. Maryam Bahreini