پژوهش های نوین فیزیک

آزمایشگاه بر روی فیبرنوری نوک مقعر مبتنی بر تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده برای حسگری همزمان ضریب‌شکست و دما

نویسندگان

محمد مهدی باباخانی فرد
محمد اسماعیل زیبائی
سروش رستمی

دانشگاه شهید بهشتی

https://doi.org/10.66224/jmrph.10.1.71
چکیده
زیست‌حسگرهای فیبرنوری به دلیل حساسیت بسیار بالا و قابلیت شناسایی تغییرات کوچک در نمونه‌های زیستی، ابزاری موثر برای تشخیص زودهنگام بیماری‌ها محسوب می‌شوند. حسگرهای غیرنشاندار مبتنی بر اندازه‌گیری تغییرات ضریب شکست، با ادغام فناوری پلاسمون سطحی جایگزیده عملکرد بسیار بهتری از نظر حساسیت و انتخاب‌پذیری به دست می‌آورند. در این مقاله حسگر فیبرنوری LSPR دوگانه مبتنی بر ساختار نوک مقعر با استفاده نانو ذرات ترکیبی از نانو ذرات طلا و نانو ذرات هسته@پوسته طلا@نقره برای اندازه‌گیری ضریب‌شکست و دما توسعه داده شده است. حساسیت ضریب شکستی حسگر مبتنی بر نانو ذرات طلا و هسته/پوسته در بازه ضریب شکستی 1.3332-1.3604 RIU به ترتیب برابر با1845.71 nm/RIU و 1984.58 nm/RIU بدست آمده است. در ساختار LSPR دوگانه مبتنی با نانو ذرات ترکیبی حساسیت ضریب شکستی برای هریک از طول موج های تشدیدی پلاسمون سطحی جایگزیده 1567.67 nm/RIU و 1787.73 nm/RIU بدست آمده است. کاهش حساس ضریب‌شکستی نسبت به ساختار یگانه نانو ذرات بدلیل کاهش چگالی سطحی هر یک از نانو ذرات است که قابل چشمپوشی می‌باشد. یکی از چالش‌های مهم در عملکرد دقیق حسگرهای فیبرنوری، تأثیر تغییرات دمایی بر نتایج اندازه‌گیری است. حساسیت‌ دمایی LSPR دوگانه در بازه دمایی 20-50℃ ، برای نانو ذرات طلا و هسته/پوسته بترتیب SAu=-1.2 nm℃ و SCS=-1.32 nm℃ بدست آمده است. برای کاهش حساسیت متقابل، از یک ماتریس حساسیت استفاده شده است که امکان اندازه‌گیری همزمان دقیق ضریب شکست و دما را فراهم می‌کند. نتایج بدست آمده نشان می‌دهد حسگر توسعه یافته بعنوان آزمایشگاه بر روی نوک فیبرنوری کاندیدای بسیار مناسبی برای پایش های دوگانه کاربردهای زیست حسگرهای فیبرنوری غیرنشاندار است.

کلیدواژه‌ها

آزمایشگاه بر روی نوک فیبر نوری
غیرنشاندار
ضریب‌شکست
دما
تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده
نانو ذرات هسته/پوسته

عنوان مقاله English

Concave-Tip Lab-on-Fiber Based on Localized Surface Plasmon Resonance for Simultaneous Refractive Index and Temperature Sensing

نویسندگان English

Mohammad Mahdi Babakhani fard
Mohammad Ismail Zibaii
Soroush Rostami
Shahid Beheshti University
چکیده English

Fiber optic biosensors are highly effective tools for early disease diagnosis due to their exceptional sensitivity and low detection limit of biological samples. Label-free sensors based on refractive index (RI) variation measurements exhibit enhanced sensitivity and selectivity when integrated with localized surface plasmon resonance (LSPR) technology. In this study, a dual LSPR fiber optic sensor based on a concave-tip structure combined with hybrid nanoparticles (NPs) of gold nanoparticles (AuNPs) and gold@silver core-shell NPs (CSNPs) is developed for simultaneous detection of RI and temperature. The RI sensitivity of sensors functionalized with AuNPs and CSNPs was measured at 1845.71 nm/RIU and 1984.58 nm/RIU within the RI range of 1.3332 to 1.3604 RIU, respectively. For the dual LSPR sensor incorporating hybrid NPs, the RI sensitivities corresponding to the two resonance wavelengths were found to be 1567.67 nm/RIU and 1787.73 nm/RIU. The slight reduction in sensitivity compared to single NP configurations is due to a decrease in surface NP density, which is negligible. A critical challenge in fiber optic sensor operation is the influence of temperature fluctuations on measurement accuracy. To address this issue, the temperature sensitivity of the dual LSPR sensor was measured in the range 20–50°C, resulting SAu = –1.2 nm/°C and SCS = –1.32 nm/°C for AuNPs and CSNPs, respectively. To mitigate cross-sensitivity, a sensitivity matrix was employed, enabling accurate simultaneous measurement of RI and temperature. These results demonstrate that the developed lab-on-fiber sensor is a promising candidate for dual-parameter monitoring in label-free fiber optic biosensing applications.

کلیدواژه‌ها English

Lab-on-fiber
label-free
refractive index
temperature
localized surface plasmon resonance (LSPR)
core-shell nanoparticle
[1] J. He, H. Pan, L. Feng, and W. Feng, "Dual-channel fiber-optic biosensors based on LSPR and SPR for the trace detection of rabies virus," Applied Physics Letters, vol. 126, no. 7, 2025. [DOI:10.1063/5.0253941]
[1] J. He, H. Pan, L. Feng, and W. Feng, "Dual-channel fiber-optic biosensors based on LSPR and SPR for the trace detection of rabies virus," Applied Physics Letters, vol. 126, no. 7, 2025. [DOI:10.1063/5.0253941]
[2] Y. Li et al., "Sandwich method-based sensitivity enhancement of Ω-shaped fiber optic LSPR for time-flexible bacterial detection," Biosensors and Bioelectronics, vol. 201, p. 113911, 2022. [DOI:10.1016/j.bios.2021.113911] [PMID]
[2] Y. Li et al., "Sandwich method-based sensitivity enhancement of Ω-shaped fiber optic LSPR for time-flexible bacterial detection," Biosensors and Bioelectronics, vol. 201, p. 113911, 2022. [DOI:10.1016/j.bios.2021.113911] [PMID]
[3] M.-M. Babakhani-Fard, M. I. Zibaii, S. Rostami, and H. Latifi, "Lab on-tip fiber based on dual side hole LSPR for vitamin K1 detection," Sensors and Actuators Reports, vol. 10, p. 100342, 2025. [DOI:10.1016/j.snr.2025.100342]
[3] M.-M. Babakhani-Fard, M. I. Zibaii, S. Rostami, and H. Latifi, "Lab on-tip fiber based on dual side hole LSPR for vitamin K1 detection," Sensors and Actuators Reports, vol. 10, p. 100342, 2025. [DOI:10.1016/j.snr.2025.100342]
[4] A. Cusano, M. Consales, A. Crescitelli, and A. Ricciardi, Lab-on-fiber technology. Springer, 2015. [DOI:10.1007/978-3-319-06998-2]
[4] A. Cusano, M. Consales, A. Crescitelli, and A. Ricciardi, Lab-on-fiber technology. Springer, 2015. [DOI:10.1007/978-3-319-06998-2]
[5]. Rostami, M. I. Zibaii, M.-M. Babakhani-Fard, A. Layeghi, and H. Latifi, "Sensitivity enhancement and thermal compensation of LSPR-based optical fibre refractive index sensor using annealing of Au nanoparticles," Sensors and Actuators A: Physical, vol. 395, p. 117015, 2025. [DOI:10.1016/j.sna.2025.117015]
[5]. Rostami, M. I. Zibaii, M.-M. Babakhani-Fard, A. Layeghi, and H. Latifi, "Sensitivity enhancement and thermal compensation of LSPR-based optical fibre refractive index sensor using annealing of Au nanoparticles," Sensors and Actuators A: Physical, vol. 395, p. 117015, 2025. [DOI:10.1016/j.sna.2025.117015]
[6] S. Rostami, M. I. Zibaii, M.-M. Babakhani-Fard, A. Layeghi, and H. Latifi, "Sensitivity enhancement and thermal compensation of LSPR-based optical fibre refractive index sensor using annealing of Au nanoparticles," Sensors and Actuators A: Physical, vol. 395, p. 117015, 2025. [DOI:10.1016/j.sna.2025.117015]
[6] S. Rostami, M. I. Zibaii, M.-M. Babakhani-Fard, A. Layeghi, and H. Latifi, "Sensitivity enhancement and thermal compensation of LSPR-based optical fibre refractive index sensor using annealing of Au nanoparticles," Sensors and Actuators A: Physical, vol. 395, p. 117015, 2025. [DOI:10.1016/j.sna.2025.117015]
[7] M. Li et al., "Cascaded Ω-shaped fiber-optic-based LSPR coated with hybridized nanolayers for refractive index and temperature simultaneous measurement," Optics Letters, vol. 50, no. 6, p. 1803, 2025. [DOI:10.1364/OL.557360] [PMID]
[7] M. Li et al., "Cascaded Ω-shaped fiber-optic-based LSPR coated with hybridized nanolayers for refractive index and temperature simultaneous measurement," Optics Letters, vol. 50, no. 6, p. 1803, 2025. [DOI:10.1364/OL.557360] [PMID]
[8] R. W. Pryor, Multiphysics modeling using COMSOL®: a first principles approach. Jones & Bartlett Publishers, 2009.
[8] R. W. Pryor, Multiphysics modeling using COMSOL®: a first principles approach. Jones & Bartlett Publishers, 2009.
[9] R. A. Kadhim, L. Yuan, H. Xu, J. Wu, and Z. Wang, "Highly Sensitive D-Shaped Optical Fiber Surface Plasmon Resonance Refractive Index Sensor Based on Ag-α-Fe2 O3 Grating," IEEE Sensors Journal, vol. 20, no. 17, pp. 9816-9824, 2020. [DOI:10.1109/JSEN.2020.2992854]
[9] R. A. Kadhim, L. Yuan, H. Xu, J. Wu, and Z. Wang, "Highly Sensitive D-Shaped Optical Fiber Surface Plasmon Resonance Refractive Index Sensor Based on Ag-α-Fe2 O3 Grating," IEEE Sensors Journal, vol. 20, no. 17, pp. 9816-9824, 2020. [DOI:10.1109/JSEN.2020.2992854]
[10] J. Turkevich, P. C. Stevenson, and J. Hillier, "A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold," Discussions of the Faraday Society, vol. 11, p. 55, 1951. [DOI:10.1039/df9511100055]
[10] J. Turkevich, P. C. Stevenson, and J. Hillier, "A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold," Discussions of the Faraday Society, vol. 11, p. 55, 1951. [DOI:10.1039/df9511100055]
[11] A. K. Samal, L. Polavarapu, S. Rodal-Cedeira, L. M. Liz-Marzán, J. Pérez-Juste, and I. Pastoriza-Santos, "Size Tunable Au@Ag Core-Shell Nanoparticles: Synthesis and Surface-Enhanced Raman Scattering Properties," Langmuir, vol. 29, no. 48, pp. 15076-15082, 2013. [DOI:10.1021/la403707j] [PMID]
[11] A. K. Samal, L. Polavarapu, S. Rodal-Cedeira, L. M. Liz-Marzán, J. Pérez-Juste, and I. Pastoriza-Santos, "Size Tunable Au@Ag Core-Shell Nanoparticles: Synthesis and Surface-Enhanced Raman Scattering Properties," Langmuir, vol. 29, no. 48, pp. 15076-15082, 2013. [DOI:10.1021/la403707j] [PMID]
[12] N. Tran Truc Phuong et al., "Application of hybrid Au@Ag nanostructures in fiber optic biosensor for rapid detection of C-reactive protein," Optical Materials, vol. 143, p. 114184, 2023. [DOI:10.1016/j.optmat.2023.114184]
[12] N. Tran Truc Phuong et al., "Application of hybrid Au@Ag nanostructures in fiber optic biosensor for rapid detection of C-reactive protein," Optical Materials, vol. 143, p. 114184, 2023. [DOI:10.1016/j.optmat.2023.114184]
[13] R. Tabassum and B. D. Gupta, "Simultaneous estimation of vitamin K1 and heparin with low limit of detection using cascaded channels fiber optic surface plasmon resonance," Biosensors and Bioelectronics, vol. 86, pp. 48-55, Dec. 2016. [DOI:10.1016/j.bios.2016.06.030] [PMID]
[13] R. Tabassum and B. D. Gupta, "Simultaneous estimation of vitamin K1 and heparin with low limit of detection using cascaded channels fiber optic surface plasmon resonance," Biosensors and Bioelectronics, vol. 86, pp. 48-55, Dec. 2016. [DOI:10.1016/j.bios.2016.06.030] [PMID]

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما