Table of Contents
התפקיד של קידוד אופטי ב Enhancing את הרגישות של biosensors
ביוסנסורים אופטיים הפכו לכלים חיוניים על פני אבחון רפואי, ניטור סביבתי ובטיחות המזון.היכולת שלהם לזהות כמויות של מולקולות ביולוגיות - חלבונים, חומצות גרעין, פתוגניות, או רעלנים - עם מהירות גבוהה ופרטים מונעים את הזיהוי הנרחב שלהם, עם זאת, הרגישות של חיישנים אלה מוגבלת בעבר על ידי יעילות הם יכולים להעביר אירוע ביולוגי מחייב לתוך מהירויות אופטיות רבות יותר של חשיפה אופטית של ציפויים אלה הוא רק על פני השטח של חומרים מהירים יותר של אבטחה מהירה יותר של חומרים אופטית של אבטחה מהירה יותר של חומרים אופטית של אבטחה מהירה יותר של חומרים אלה.
מה הם התאמות אופטיות?
ציפוי אופטי הם בדיוק מנדסים שכבות דקות של חומר שהופקד על תת-קרקעי - במקרה זה, פני השטח הפעיל של biosputor. הפונקציה העיקרית שלהם היא לתמרן את ה propagation, השתקפות, שידור או ספיגה של אור.בהקשר של biosensors, ציפויים לשרת לשנות את התכונות אופטיות של הממשק, ובכך לשפר את ההפיכה זהב בין אור ואלמנטים להכרה ביולוגית כולל חומרים סיליקון.
העיקרון הבסיסי מאחורי ציפוי אופטי הוא הפרעה.כאשר אור מכה סרט דק, זה משקף הן משטח העליון ואת החלק התחתון (מצטבר) ממשק.בהתאם עובי ואינדקס השביר של השכבה, גלים אלה משתקפים יכולים להפריע בצורה קונסטרוקטיבית או הרסנית, שיפור או דיכוי של אורכי גל מסוימים.זה יכול להיות מכוון כדי ליצור ציפויים אנטי-מדומים (אשר עלייה), ציפוי גבוה, מסגסוגת מחייבת או מקבצית, בדרך כלל, מקבצי חיישן, כלומר, מדגימה, מאפקטים חד-מסוגננת, או מאפקטים על תכונות חד-מסוגילים.
תפקיד ה- Optical Coatings בביצוע Biosensor
ציפוי אופטי תורם לביצועי ביוסנסטור באמצעות מספר מנגנונים נפרדים, שכל אחד מהם יכול להשפיע באופן משמעותי על הגבלת הזיהוי, טווח דינמי ופרטים של חיישן.
הגדלת רגישות
התפקיד הבולט ביותר של ציפוי אופטי הוא להגדיל את הרגישות של biosensor - היכולת לזהות ריכוזים נמוכים מאוד של יעד אנאליט. רגישות ביוסנסטור אופטי הוא לעתים קרובות פרופורציה בין עוצמת שדה האור probing בטוח אזור שבו ציפויים ביולוגיים מופעלים על ידי מספר רב של משקעים מתכתיים, במיוחד על ידי ציפויים חשמליים כגון מתכתי מתכתי כוח פעולה יעיל.
שיפור אותות-to-Noise Ratio
מעבר להגדלת אות פשוטה, ציפוי אופטי משחק תפקיד מכריע בשיפור יחס האות-ל-לא-הרעש (SNR) noise בביוסנסורים אופטיים עולה ממגוון מקורות: גלאי יורה רעש, תנודות במקור האור, ייצוב טמפרטורה אותות שאינם ספציפיים של מולקולות למשטח חיישן, קאטינגס יכול להפחית את ההשפעות הללו.
המונחים: logicificity
מפרטיות - היכולת לזהות את מולקולה היעד הנכונה ללא הפרעה ממולקולות דומות - הוא עוד פרמטר קריטי משופר על ידי ציפויים אופטיים. ציפויים פונקציונליים יכול להיות מונדס להציג קבוצות כימיות כי נקשר באופן סלקטיבי ל- אנאלי מסוים. לדוגמה, ציפוי פולימר יכול להיות שונה עם נוגדנים, aptamers, או peptide רצפים כי לזהות פתוגן או ביומרקרנטי באופן יעיל.
סוגים של קידוד אופטי בשימוש ביוסנסורים
ארכיטקטורות ביוסנסורים שונות דורשות חומרים ציפוי שונים ועיצובים.כאן אנו דנים בסוגים הנפוצים ביותר של ציפוי אופטי, עקרונות העבודה שלהם, ויישומים טיפוסיים.
דיאלקטרי
ציפויים דיאלקטריים מורכבים מ- תחמוצות שקוף, פלואורידים, או nitrides עם ספיגה אופטית נמוכה בטווח גל של עניין (לעתים קרובות גלוי או קרוב ל-infrared) הם משמשים באופן נרחב כדי ליצור מסננים, שכבות אנטי-rence נמוכות, ו- resonant cavensances (ב-inated censances) הוא לעתים קרובות בתוך חיישנים המבוססים על גל, כאשר שכבה גבוהה של cretrad (Ric) הוא מכווץ לתוך scretrad) הוא מכווץ.
Metallic Coatings
ציפויים מתכתיים, במיוחד זהב וכסף, הם העורקים של biosensing ללא תווית עקב היכולת שלהם לתמוך plasmons משטח משטח משטח משטח משטח.בתצורה של זהב plasmon משטח קלאסי (SPR) תצורה דקה ( ⁇ 50 nm) זהב מלוכדת את הציפוי המקומי (Ricleventure) ללא עלייה חדה או שקופיות זכוכית.
Polymer Betaings
ציפויים פולימר מציעים ניגודיות לא מקבילה במונחים של פונקציונליות כימית, ביו-גמישות, וקלות של גילויים (החומרים) הם לעתים קרובות משמשים כמו שכבות ביניים אשר מעצימות אלמנטים ביו-הכרה כגון נוגדנים, בדיקות DNA, או אנזימים.
Graphene ו 2D חומר מתקפל
מתפתח מ nanoperide, ציפויים המבוססים על גרפן ושני חומרים משניים אחרים (2D) (כגון Molybdenum disulfide, MoS2, ו זרחן שחור) הם צוברים מתח ב biosensing. Graphene, שכבה אחת של אטומים מעבר פחמן, יש תכונות אופטיות יוצאות דופן: הוא סופג 2.3% של אור על פני ספקטרום רחב בעוד להיות אטומית שטח זה יותר מדיום רחב יותר כדי לשפר את התצורה גבוהה של גולגולת.
מכניזם של Sרגישות שיפור
כדי להבין מדוע ציפוי אופטי כל כך יעיל, חשוב לבחון את המנגנונים הפיזיים הספציפיים אשר מדגישים שיפור הרגישות. מנגנונים אלה אינם בלעדית הדדית; ציפויים מתקדמים רבים משלבים השפעות מרובות כדי להשיג את הביצועים הטובים ביותר האפשרי.
אוונסנט שדה Amplification
Total Internal Reflecting (TIR) בממשק דיאלקטרי מייצר שדה evanescent כי מתכווץ באופן אקספוננציאלי עם מרחק מן פני השטח.העומק החדירה הוא בדרך כלל 100-300 nm, כלומר שרק מולקולות בתוך שכבה דקה זו מזוהות - יתרון טבעי עבור ספירות משטח מחייבות מאוד. preativess (Fatereaterance) יכול להגדיל את עוצמת שדה evacent זה על ידי יצירת תנאים retrason.
Surface Plasmon Resonance (SPR) ו-SPR מקומי
כאמור, ציפוי מתכתי מאפשר SPR ו LSPR.הפיזיקה הבסיסית כוללת את הoscillation הקולקטיבי של אלקטרון מוליכים בממשק מתכת-חשמלי.מצב ההחזר רגיש להפליא למדד ה-Refractive בתוך שדה ה-evanescent (התוצאה של גל אחד ב-SPR, וכמה עשרות ננומטרים ב-LSPR).
השלכות הבין-חשיבות ושיקום
ציפויים מבוססי התערבות קונסטרוקטיבית או הרסנית של גלי אור שמשתקף מממשקים מרובים.במרחק פאברי-Pérot, שני ציפויים רפלקטיביים חלקית מופרדים על ידי חלל אשר עובי אופטי משתנה על פני סגסוגת אנאלית.זה שינוי יכול להיות מזוהה כשינוי באורך הגל של cavson מופץ, אשר מאפשר חיישנים מבוזרים באמצעות Braggors רפלקציה גבוהה (cored) של גלימה גבוהה, 000-red) אשר ניתן לשנות את רמות גבוהות של גלימה.
קריסטל Photonic ו- Metamaterial Coatings
גבישי פוטוניקה הם מבנים דיאלקטריים תקופתיים המייצרים אגד פוטוני – מגוון של אורכי גל שאינם יכולים להתפשט דרך החומר.כאשר הפגם מוצג (למשל, חור חסר או חלל גדול יותר), אור יכול להיות מוגבל באתר הגלם, יצירת מצב תאורה רסן רגיש מאוד לאינדקס השבירתי (למשל, כולל ציפויים אידיאליים), אשר נמצאו גם כן, באופן דרמטי (אך הם יכולים לרכז את הציפוי השדה הציפוי), אשר לא ניתן לדגמי (אך) באופן דרמטי, כולל ציפוי שדה הראייה הטבעית (אך) באופן דרמטי, אשר הוא יעיל יותר, כולל הציפוי), אשר הוא יעיל יותר, אשר נמצא, כולל מצופה), אשר הוא יעיל יותר, כולל מצופה).
תגיות: Betaing-Enhanced Biosensors
השיפורים ברגישות, SNR ומפרטיות המסופקים על ידי ציפוי אופטי אפשרו מגוון רחב של יישומים מעשיים.
אבחון רפואי
באבחון רפואי, היכולת לזהות ביומרקרים בריכוזים אולטרה-נמוכים היא קריטית לגילוי מוקדם של המחלה. חיישנים SPR מתואם משמשים כעת למדידת קרום לב עבור דלקת מפרקים חריפה, זיהוי ספציפי הערמונית (PSA) עבור נוגדנים ספציפיים לסרטן הערמונית, וציטוקינים שונים עבור ניטור דלקת.
פיקוח סביבתי
ניטור סביבתי דורש זיהוי של חומרים, חומרי הדברה, מתכות כבדות ברמות מעקב. ביוסנסורים אופטיים עם ציפוי מתכתי או פולימר יכול לזהות חומרים אורגניים כמו משבשי דוסטומול A ו אנדוקריניים באספקת מים.חיישנים מאוישים Graphene הראו הבטחה לגילוי גזים רעילים ותרכובות אורגניות תנודתיות.
בטיחות מזון
(הופנה מהדף [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[[[1924]]]]]]]]]], [[[[1924]]]]]]]], [[1924]]]], [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[[[1924]]]]]], [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]]
כיוונים עתידיים והתקדמות
תחום הציפויים האופטיים עבור ביוסנסורים מתקדם במהירות, מונע על ידי התקדמות בננוטכנולוגיה, מדעי החומר, ועיצוב חישובי.
עיצובים של NNOB ו- Multilayer
העבודה האחרונה התמקדה בציפוי ננודור - קרניים של ננודדים, ננוורות, או ננופילרים - שיוצרים שדות מקומיים אינטנסיביים - למשל, ניתן לכוון את מערך הזהב של ננודד לספוג אור קרוב למפואר, אשר חודר עמוק יותר לרקמות ומפחית את ה-Ffluorescences, מה שהופך אותם אטרקטיביים עבור F:0in vivoFLTs1, 000 ⁇ s.
שילוב עם 2D חומרים
Graphene וחומרים אחרים 2D ממשיכים למשוך עניין אינטנסיבי.מחקרים אחרונים מראים כי ציפוי חיישני SPR עם מונוטרה של גרפן יכול להגדיל את הרגישות על ידי עד 30% בשל שיפור שדה נוסף וקיבולת המודעות מוגברת.יתר על כן, תאימות של גרפן עם substrates גמיש פותח את הדלת ללבוש ביוסנסורים עמידים.
Machine Learning and Inverse Design
עיצוב ציפוי אופטי אופטימלי מעורב באופן מסורתי ניסיון-טרור או מודלים אנליטיים פשוטים.היום, אלגוריתמי למידת מכונה, כולל רשתות עצביות עמוקות, משמשים לתכנון הפוך: בהתחשב רגישות מטרה ואורך גל הפעלה, האלגוריתם יכול להציע מבנה רב-שכבתי אופטימלי. גישה זו הובילה ציפויים חדשים כי החוצה עיצובים קונבנציונליים, כגון ציפויים עם מחסניות לא-פרקודיות המייצרות מבנה אולטרה-ברונאלי אופטימלי או ציפויים יותר, כמו גם חיישנים ספציפיים, כמו גם חיישנים.
חכם ומסתורי - מגיב
גבול נוסף הוא פיתוח של ציפויים "חכמים" שמשנים את התכונות האופטיות שלהם בתגובה לרמזים סביבתיים (pH, טמפרטורה, כוח ionic) לדוגמה, מצחצחות פולימרים כי swell או התמוטטות על מנת לחייב מטרה יכול לשנות את עובי יעיל או מחדש אינדקס של הציפוי, לייצר אות אופטי. הידרוג'ל מוטבע עם חלקיקים זהב יכול לעבור שינויים נפח זה יכול לשנות את חלקיקים, אבל לא יכול גם לזהות את הציפוי חדש של הסביבה.
מסקנה
ציפוי אופטי הם הרבה יותר מאשר שכבות הגנה פשוטות; הם מרכיבים פעילים המגדירים ביסודו את הביצועים של ביוסנס אופטיים.באמצעות בחירה חומרית זהירה ועיצוב מבני, ציפויים יכולים להגביר את שדות evanescent, לאפשר התחדשות plasmonic, ליצור ציפויים גבוהים של בריאות, ולספק ספציפי כימי, התוצאה היא דור חדש של מסוגל לזהות biomarkers, פתוגנים, וטכנולוגיות מתקדמות יותר של טיפול פסיכולוגי, אשר הפכו חומרים מתקדמים יותר.
לקריאה נוספת על עקרונות היסוד של ציפוי אופטי, מתייחס משאבים כגון דף ההרחבה:0Wikipedia על ציפוי אופטי FLT:1 ואת FLT:2Surface Plasmon Resonanceph:0Wikipedia דף מידע מפורט על טכנולוגיות ביוסנסורים ניתן למצוא ב-F:4LT זה מקיף ב-ClinticalFLT:5:5 .