نانومقیاس

نانومقیاس

طراحی و بهینه‌سازی حسگر ضریب شکست SPR بر پایه فسفر سیاه جهت تمایز مدل‌های بافت پوستی سالم و سرطانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه فیزیک، واحد یادگار امام، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران
2 گروه مهندسی برق، واحد ارس، دانشگاه آزاد اسلامی، جلفا، ایران
10.22034/ns.2026.2095230.1442
چکیده
تمایز زودهنگام مدل‌های بافت پوستی سالم و سرطانی نیازمند بسترهای نوری حساسی است که بتوانند تغییرات کوچک ضریب شکست در محیط‌های زیستی را آشکار کنند. در این پژوهش، یک حسگر تشدید پلاسمون سطحی (SPR) چندلایه مبتنی بر پیکربندی کرشمن با ساختار BK7/Ag/ZnO/TiO₂/BP به‌صورت عددی طراحی و با استفاده از روش ماتریس انتقال (TMM) در طول موج 633 نانومتر بهینه‌سازی شد. هدف اصلی، بهره‌گیری هم‌زمان از ویژگی‌های نوری فسفر سیاه (BP) و خواص دی‌الکتریک لایه‌های TiO₂ و ZnO به‌منظور تقویت برهم‌کنش میدان الکترومغناطیسی با محیط حسگری و بهبود پاسخ پلاسمونی نسبت به تغییرات ضریب شکست بود. در فرآیند بهینه‌سازی، ضخامت لایه نقره، ضخامت لایه‌های دی‌الکتریک و تعداد لایه‌های BP به‌صورت نظام‌مند بررسی شدند. نتایج نشان داد که ساختار بهینه شامل لایه نقره با ضخامت 52 نانومتر، لایه‌های ZnO و TiO₂ با ضخامت‌های 4 و 2 نانومتر و سه لایه فسفر سیاه، بالاترین عملکرد را در میان ساختارهای بررسی‌شده ارائه می‌دهد. این ساختار قادر به آشکارسازی تغییر ضریب شکست از 36/1 در مدل بافت سالم به 38/1 در مدل بافت سرطانی با حساسیت زاویه‌ای(deg/RIU) 354 و ضریب شایستگی (FoM) برابر با RIU⁻¹ 87/83 است. نتایج حاصل نشان می‌دهد که ترکیب لایه‌های ZnO، TiO₂ و BP می‌تواند با اصلاح شرایط کوپل‌شدن پلاسمونی و افزایش برهم‌کنش میدان الکترومغناطیسی با محیط حسگری، عملکرد حسگر را در برابر تغییرات ضریب شکست بهبود دهد. از این رو، ساختار پیشنهادی می‌تواند به‌عنوان یک بستر نوری مناسب برای تمایز مبتنی بر ضریب شکست میان مدل‌های بافت سالم و سرطانی مورد توجه قرار گیرد. بااین‌حال، از آنجا که مطالعه حاضر بر پایه مدل‌سازی عددی ضریب شکست انجام شده است، اثبات قابلیت تشخیص گزینش‌پذیر سلول‌های سرطانی یا زیست‌نشانگرهای اختصاصی سرطان مستلزم اعتبارسنجی تجربی و به‌کارگیری گیرنده‌های زیستی اختصاصی در مطالعات آینده است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Design and Optimization of a Black Phosphorus-Based SPR Refractive-Index Sensor for Differentiating Healthy and Cancerous Skin Tissue Models

نویسندگان English

Vahideh Mohadesi 1
Noushin Dadashzadeh 2
1 Department of Physics, Yadegar. C., Islamic Azad University, Tehran, Iran
2 Department of Electrical Engineering, Ara.C., Islamic Azad University, Jolfa, Iran
چکیده English

Early differentiation of healthy and cancerous skin tissue models requires sensitive optical platforms capable of detecting subtle refractive index variations in biological media. In this study, a multilayer Surface Plasmon Resonance (SPR) sensor in the Kretschmann configuration with a BK7/Ag/ZnO/TiO₂/BP architecture was numerically designed and optimized using the Transfer Matrix Method (TMM) at a wavelength of 633 nm. The primary objective was to simultaneously leverage the optical properties of black phosphorus (BP) and the dielectric properties of TiO₂ and ZnO layers to enhance the interaction of the electromagnetic field with the sensing medium and improve the plasmonic response to refractive index changes. During the optimization process, the thickness of the silver layer, the thicknesses of the dielectric layers, and the number of BP layers were systematically investigated. The results demonstrated that the optimized structure—comprising a 52 nm silver layer, 4 nm ZnO and 2 nm TiO₂ layers, and three BP layers—offered the highest performance among the evaluated configurations. This structure is capable of detecting the refractive index shift from 1.36 in the healthy tissue model to 1.38 in the cancerous tissue model, exhibiting an angular sensitivity of 354 deg/RIU and a Figure of Merit (FoM) of 83.87 RIU⁻¹. The findings indicate that combining ZnO, TiO₂, and BP layers can improve sensor performance against refractive index variations by modifying plasmonic coupling conditions and increasing electromagnetic field interaction with the sensing environment. Consequently, the proposed architecture holds promise as a suitable optical platform for refractive-index-based discrimination between healthy and cancerous skin tissue models. However, since the present study is based on numerical refractive index modeling, confirming its capability for selective detection of specific cancer cells or biomarkers will require experimental validation and the integration of specific bioreceptors in future studies.

کلیدواژه‌ها English

Surface Plasmon Resonance
Skin Cancer
Black Phosphorus
Optical Biosensor

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 12 شهریور 1405

  • تاریخ دریافت 30 تیر 1405
  • تاریخ بازنگری 09 شهریور 1405
  • تاریخ پذیرش 12 شهریور 1405