اخبار و اعلانات

 آمار

تعداد نشریات38
تعداد شماره‌ها1,408
تعداد مقالات10,088
تعداد مشاهده مقاله11,909,204
تعداد دریافت فایل اصل مقاله6,961,304
حیدری, میثم, مظفری, محمد هژیر, عابدی, کامبیز. (1403). طراحی و شبیه سازی حسگر زیستی فوق حساس مبتنی بر فیبر بلور فوتونی دو هسته ای با لایه پلاسمونیکی طلا. پدافند الکترونیکی و سایبری, 12(2), 111-120.
میثم حیدری; محمد هژیر مظفری; کامبیز عابدی. "طراحی و شبیه سازی حسگر زیستی فوق حساس مبتنی بر فیبر بلور فوتونی دو هسته ای با لایه پلاسمونیکی طلا". پدافند الکترونیکی و سایبری, 12, 2, 1403, 111-120.
حیدری, میثم, مظفری, محمد هژیر, عابدی, کامبیز. (1403). 'طراحی و شبیه سازی حسگر زیستی فوق حساس مبتنی بر فیبر بلور فوتونی دو هسته ای با لایه پلاسمونیکی طلا', پدافند الکترونیکی و سایبری, 12(2), pp. 111-120.
حیدری, میثم, مظفری, محمد هژیر, عابدی, کامبیز. طراحی و شبیه سازی حسگر زیستی فوق حساس مبتنی بر فیبر بلور فوتونی دو هسته ای با لایه پلاسمونیکی طلا. پدافند الکترونیکی و سایبری, 1403; 12(2): 111-120.

طراحی و شبیه سازی حسگر زیستی فوق حساس مبتنی بر فیبر بلور فوتونی دو هسته ای با لایه پلاسمونیکی طلا

الکترومغناطیس کاربردی
مقاله 12، دوره 12، شماره 2 - شماره پیاپی 29، آبان 1403، صفحه 111-120    اصل مقاله (1.46 M)
نوع مقاله: مقاله پژوهشی
نویسندگان
میثم حیدری1؛ محمد هژیر مظفری* 2؛ کامبیز عابدی3
1دانشجوی دکتری،گروه مهندسی برق، واحد سنندج، دانشگاه آزاد اسلامی، سنندج، ایران
2استادیار،گروه مهندسی برق، واحد سنندج، دانشگاه آزاد اسلامی، سنندج، ایران
3دانشیار،دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران
تاریخ دریافت: 29 تیر 1403،  تاریخ بازنگری: 24 شهریور 1403،  تاریخ پذیرش: 16 مهر 1403 
چکیده
محدودیت‌های ذاتی در حسگرهای زیستی تشدید پلاسمون سطحی مبتنی بر منشور که ناشی از حجیم بودن و تکیه بر اجزای مکانیکی است، کاربرد آن‌ها را برای کارهای میدانی و عملیاتی محدود کرده است. این محدودیت باعث توسعه حسگرهای زیستی تشدید پلاسمون سطحی مبتنی بر فیبرهای نوری شده است. این مقاله توسعه یک حسگر زیستی تشدید پلاسمون سطحی بسیار حساس را با استفاده از فیبر بلور فوتونی دو هسته‌ای ارائه می کند که در آن یک لایه طلا به‌عنوان ماده پلاسمونیکی لحاظ شده است تا با احاطه ساختار فیبر بلور فوتونی بتواند تغییرات ضریب شکست محیط اطراف را بررسی نماید. تحریک پلاسمون‌های سطحی از طریق تزویج مد نشتی فیبر بلور فوتونی با مد پلاسمونیکی محقق شده است. علاوه بر این، یک لایه نازک از دی اکسید تیتانیوم (TiO2) روی طلا اعمال می‌شود تا از اکسیداسیون جلوگیری شود. شبیه‌سازی به روش اِلمان محدود (FEM) صورت گرفته است و از نظر حساسیت طول موج و دامنه این حسگر زیستی به ترتیب مقادیر nm/RIU 7000 و RIU-1 380 را نشان می‌دهد که موید کاربرد افزاره طراحی شده در تشخیص دارو، سنجش بیولوژیکی و سایر سناریوهای تحلیلی است.
کلیدواژه‌ها
رزونانس پلاسمون سطحی؛ حسگر زیستی؛ حساسیت دامنه؛ حساسیت به طول موج؛ فیبر بلور فوتونی
عنوان مقاله [English]
Design and Simulation of an Ultra-Sensitive Biosensor Based on Dual-Core Photonic Crystal Fiber with a Gold Plasmonic Layer
نویسندگان [English]
Meysam Heidari1؛ Mohammad Hazhir Mozaffari2؛ Kambiz Abedi3
1PhD student, Department of Electrical Engineering, Sanandaj Branch, Islamic Azad University, Sanandaj, Iran
2Assistant Professor, Department of Electrical Engineering, Sandaj Branch, Islamic Azad University, Sandaj, Iran
3Associate Professor, Shahid Beheshti University, Tehran, Iran
چکیده [English]
The inherent limitations of prism-based surface plasmon resonance (SPR) biosensors, primarily due to their bulky design and dependence on mechanical components, have constrained their deployment in field and operational applications. In light of these challenges, there has been a significant advancement in the development of fiber optic-based SPR biosensors. This paper presents the design of a highly sensitive SPR biosensor utilizing a dual-core photonic crystal fiber (PCF). In this configuration, a gold layer serves as the plasmonic material, enabling the investigation of refractive index variations in the medium surrounding the PCF structure. Surface plasmons are excited through the coupling of the leakage mode of the PCF with the plasmonic mode. Additionally, a thin layer of titanium dioxide (TiO₂) is applied over the gold to prevent oxidation. According to simulations conducted using the Finite element method (FEM) method, the biosensor demonstrates the sensitivity of 7000 nm/RIU in terms of wavelength sensitivity and 380 RIU⁻¹ in terms of amplitude sensitivity, confirming the designed device's applicability in drug detection, biological sensing, and other analytical scenarios.
کلیدواژه‌ها [English]
Surface plasmon resonance, Biosensor, Amplitude sensitivity, PCF, Wavelength sensitivity
مراجع
  1. Zhan et al., “Surface plasmon resonance-based microfiber sensor with enhanced sensitivity by gold nanowires,” Opt Mater Express, vol. 8, no. 12, pp. 3927-3940, 2018. DOI: 10.1364/ome.8.003927.
  2. Chen, L. Xia, and C. Li, “Surface plasmon resonance sensor based on a novel D-shaped photonic crystal fiber for low refractive index detection,” IEEE Photonics J, vol. 10, no. 1, pp.1-9, 2018. DOI:.1109/JPHOT.2018.2790424.
  3. An, S. Li, H. Wang, X. Zhang, and X. Yan, “Quasi-D-shaped optical fiber plasmonic refractive index sensor,” J. Opt., vol. 20, no. 3, pp. 035403, 2018. DOI:10.1088/2040-8986/aaaa42.
  4. Lu, Y. Li, Y. Han, Y. Liu, and J. Gao, “D-shaped photonic crystal fiber plasmonic refractive index sensor based on gold grating,” Appl Opt, vol. 57, no. 19, 2018, DOI: 10.1364/ao.57.005268.
  5. K. Gangwar and V. K. Singh, “Highly Sensitive Surface Plasmon Resonance Based D-Shaped Photonic Crystal Fiber Refractive Index Sensor,” Plasmonics, vol. 12, no. 5, pp.1367-1372, 2017. DOI:10.1007/s11468-016-0395-y.
  6. Lu, X. Yang, M. Wang, and J. Yao, “Surface plasmon resonance sensor based on hollow-core PCFs filled with silver nanowires,” Electron Lett, vol. 51, no. 21, pp.1675-1677, 2015. DOI:10.1049/el.2015.2276.
  7. Bremer and B. Roth, “Fibre optic surface plasmon resonance sensor system designed for smartphones,” Opt Express, vol. 23, no. 13, pp.17179-17184, 2015. DOI:10.1364/oe.23.017179.
  8. Liu, Q. Liu, S. Chen, F. Cheng, H. Wang, and W. Peng, “Surface plasmon resonance biosensor based on smart phone platforms,” Sci Rep, vol. 5, pp. 12864, 2015. DOI:10.1038/srep12864.
  9. F. Santos, A. Guerreiro, and J. M. Baptista, “SPR microstructured D-type optical fiber sensor configuration for refractive index measurement,” IEEE Sens J, vol. 15, no. 10, pp.5472-5477, 2015. DOI:10.1109/JSEN.2015.2442335.
  10. Rifat, G. Amouzad Mahdiraji, D. M. Chow, Y. G. Shee, R. Ahmed, and F. R. M. Adikan, “Photonic crystal fiber-based surface plasmon resonance sensor with selective analyte channels and graphene-silver deposited core,” Sensors (Switzerland), vol. 15, no. 5, pp.11499-11510, 2015. DOI: 10.3390/s150511499.
  11. Wu, S. Li, X. Wang, M. Shi, X. Feng, and Y. Liu, “Ultrahigh sensitivity refractive index sensor of a D-shaped PCF based on surface plasmon resonance,” Appl Opt, vol. 57, no. 15, 2018, DOI:10.1364/ao.57.004002.
  12. Liu, X. Yang, P. Shum, and H. Yuan, “High-sensitivity birefringent and single-layer coating photonic crystal fiber biosensor based on surface plasmon resonance,” Appl Opt, vol. 57, no. 8, pp.4002-4007, 2018. DOI:10.1364/ao.57.001883.
  13. Jiao, S. Gu, H. Yang, H. Fang, and S. Xu, “Highly sensitive dual-core photonic crystal fiber based on a surface plasmon resonance sensor with a silver nano-continuous grating,” Appl Opt, vol. 57, no. 28, pp.8350-8358,2018. DOI:10.1364/ao.57.008350.
  14. Haque, M. A. Hossain, F. Ahmed, and Y. Namihira, “Surface Plasmon Resonance Sensor Based on Modified D-Shaped Photonic Crystal Fiber for Wider Range of Refractive Index Detection,” IEEE Sens J, vol. 18, no. 20, pp.8287-8293, 2018. DOI:10.1109/JSEN.2018.2865514.
  15. Mokri, M.H. Mozaffari, Ali Farmani “Polarization-Dependent Plasmonic Nano-Tweezer as a Platform for On-Chip Trapping and Manipulation of Virus-Like Particles,” IEEE Trans. Nanobioscience, vol. 21, no. 2, pp.226-231, 2021. DOI: 10.1109/TNB.2021.3120747
  16. Rifat et al., “Surface Plasmon Resonance Photonic Crystal Fiber Biosensor: A Practical Sensing Approach,” IEEE Photonics Technol. Lett, vol. 27, no. 15, pp.1628-1631, 2015. DOI: 10.1109/LPT.2015.2432812.
  17. A. Popescu, N. N. Puscas, and G. Perrone, “Simulation of the Sensing Performance of a Plasmonic Biosensor Based on Birefringent Solid-Core Microstructured Optical Fiber,” Plasmonics, vol. 12, no. 3, pp.905-911, 2017. DOI: 10.1007/s11468-016-0342-y.
  18. An et al., “Ultra-stable D-shaped Optical Fiber Refractive Index Sensor with Graphene-Gold Deposited Platform,” Plasmonics, vol. 14, no. 1, pp.155-163, 2019. DOI: 10.1007/s11468-018-0788-1.
  19. Saghaei, “Design and Simulation of an Ultra-Fast All-Optical Single-Bit Comparator Based on Photonic Crystal Ring Resonators,” Applied Electromagnetics, vol. 9, no. 2, pp. 99–106, 2021, (in Persian). DOI: 20.1001.1.26455153.1400.9.2.12.1
  20. Aliee, M., Mozaffari, M.H., “Photonic Quasi-Crystal Fiber-Based Plasmonic Biosensor: a Platform for Detection of Coronavirus,” Plasmonics, vol. 17, no. 1, pp. 1655–1660, DOI: 1007/s11468-022-01651-6.
  21. Lou, T. Cheng, S. Li, and X. Zhang, “Surface plasmon resonance photonic crystal fiber biosensor based on gold-graphene layers,” Opt. Fiber Technol., vol. 50, no 1, pp.206-211 ,2019. DOI: 10.1016/j.yofte.2019.03.028.
  22. Ramola, A. Marwaha, and S. Singh, “Design and investigation of a dedicated PCF SPR biosensor for CANCER exposure employing external sensing,” Appl Phys A Mater Sci Process, vol. 127, no. 9, pp.643, 2021. DOI: 10.1007/s00339-021-04785-2.
  23. A. Rahman, T. Ahmed, Md. I. Haque, and Md. S. Anower, “A Photonic Crystal Fiber Based Asymmetric Slotted Structured Highly Sensitive Refractive Index Plasmonic Biosensor,” J Sens Technol, vol. 12, no. 1, 2022, DOI:10.4236/jst.2022.121001.
  24. Liang, T. Shen, Y. Feng, H. Liu, and W. Han, “A d‐shaped photonic crystal fiber refractive index sensor coated with graphene and zinc oxide,” Sensors (Switzerland), vol. 21, no. 1, pp.71, 2021. DOI: 10.3390/s21010071.
  25. Singh and Y. K. Prajapati, “Antimonene-gold based twin-core SPR sensor with a side-polished semi-arc groove dual sensing channel: an investigation with 2D material,” Opt Quantum Electron, vol. 54, no. 2, pp1-14, 2022. DOI: 10.1007/s11082-021-03505-7.
  26. K. M. Hasanuzzaman, T. M. Sakib, and A. K. Paul, “Gold coated surface plasmon resonance-based biosensor: A hexagonal photonic crystal Fiber platform,” Sens Biosensing Res, vol. 42, 2023, DOI: 10.1016/j.sbsr.2023.100582.
  27. S. Sehmi, W. Langbein, and E. A. Muljarov, “Optimizing the Drude-Lorentz model for material permittivity: Method, program, and examples for gold, silver, and copper,” Phys Rev B, vol. 95, no. 11, pp. 115444, 2017. DOI:10.1103/PhysRevB.95.115444.
  28. A. Hossain et al., “Tailoring supercontinuum generation using highly nonlinear photonic crystal fiber,” Opt Laser Technol, vol. 44, no. 6, pp.1889-1896, 2012, DOI:10.1016/j.optlastec.2012.01.029.
  29. Rifat, R. Ahmed, G. A. Mahdiraji, and F. R. M. Adikan, “Highly sensitive D-shaped photonic crystal fiber-based plasmonic biosensor in visible to near-IR,” IEEE Sens J, vol. 17, no. 9, pp.2776-2783, 2017. DOI:10.1109/JSEN.2017.2677473.
  30. Rifat et al., “Photonic crystal fiber based plasmonic sensors,” Sensors and Actuators, B: Chemical, vol. 243. no.1, pp.311-325, 2017. DOI: 10.1016/j.snb.2016.11.113.
  31. Al Mahfuz et al., “Highly sensitive photonic crystal fiber plasmonic biosensor: Design and analysis,” Opt Mater (Amst), vol. 90, no.1, 2019. DOI: 10.1016/j.optmat.2019.02.012.
  32. Opoku, I. Danlard, A. Dede, and E. Kofi Akowuah, “Design and numerical analysis of a circular SPR based PCF biosensor for aqueous environments,” Results in Optics, vol. 12, pp.100432, 2023. DOI: 10.1016/j.rio.2023.100432.
  33. Aliannezhadi, M.Mozaffari, F.Amirjan, “Optofluidic R6G microbubble DBR laser: A miniaturized device for highly sensitive lab-on-a-chip biosensing,” Photonics anostructures: Fundam. Appl”., vol. 53, no. 1, pp. 10108, 2023, DOI: 10.1016/j.photonics.2023.101108.
  34. Vahedi, and A. Riahi, “Theoretical study of the effect of the layer thickness on the sensitivity of tapered fiber optic sensors” Applied Electromagnetics, vol. 11, no. 1, pp. 87-93, 2023, (in Persian) DOR: 20.1001.1.26455153.1402.11.1.9.0
  35. M. Zanganeh et al., “Design Optimization and Fabrication of Graphene/J-Aggregate Kretschmann-Raether Devices for Refractive Index Sensing Using Plasmon-Induced Transparency Phenomena,” Plasmonics”., vol. 17, no. 1, pp. 811-821, 2022, DOI: 10.1007/s11468-021-01591-7.
  36. Malakzadeh, and M. Mansoursamaei, “Combination of Phase and Frequency Correlation in the Brillouin Dynamic Grating Sensor to Achieve Millimeter Spatial Resolution Over 17 km of Optical Fiber”, Applied Electromagnetics, vol. 9, no. 2, pp. 1-7, 2021, (in Persian). DOR: 20.1001.1.26455153.1400.9.2.1.0
  37. Shahamat, J. Khalilzadeh, and A. Reyahi, “Design of a New Refractive Index Bio-Sensor Based on Photonic Crystal Suitable for DNA Sensing,” Journal of Advanced Defense Science & Technology, vol. 11, no. 4, pp. 451–463, 2020. (in Persian). DOR: 20.1001.1.26762935.1399.11.4.10.5
  38. Mohammadnezhad, et al, “Investigation and fabrication of palladium-copper composite layer as an adsorbent layer of tapered fiber optic hydrogen gas sensor”, Applied Electromagnetics, vol. 11, no. 2, pp. 139-135, 2022, (in Persian). DOR: 20.1001.1.26455153.1402.11.1.9.0
آمار
تعداد مشاهده مقاله: 1,601
تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 53