توسعه نسل جدید حسگر‌های نانوفوتونیکی اکسیژن

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما ، اسماعیل حیدری استادیار دانشکده فیزیک دانشگاه خوارزمی و مؤسس آزمایشگاه حسگر‌های نانوفوتونیکی و اپتوفلوئیدیک درباره این طرح گفت: «در این پژوهش از نانوتابشگر‌های تبدیل افزایشی لانتانیدی برای توسعه نسل جدید حسگر‌های نانوفوتونیکی اکسیژن برای کاربرد‌های زیرپوستی استفاده شده است.»

وی در راستای ضرورت انجام این طرح گفت: «اکسیژن عنصری ضروری برای حیات روی زمین است و اندازه‌گیری دقیق غلظت آن در بسیاری از کاربرد‌ها از جمله پزشکی، زیست‌فناوری و صنایع غذایی و دارویی دارای اهمیت است.

در سال‌های اخیر، حسگر‌های کاشتنی زیرپوستی به دلیل امکان اندازه‌گیری پیوسته و آنی و قابلیت سازگاری با پلتفرم‌های هوش مصنوعی، در تشخیص و درمان بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. عمق نفوذ محدود منابع نوری مرئی از چالش‌های زیست‌حسگر‌های فوتونیکی کاشتنی است. زیست‌حسگر‌های نانوفوتونیکی تبدیل افزایشی فرکانس با قابلیت برانگیزش با منابع فروسرخ نزدیک که در محدوده پنجره اول اپتیکی بافت هستند راه‌حلی برای افزایش عمق نفوذ و کاهش تخریب بافت هستند.»

در این پژوهش از نانوتابشگر‌های تبدیل افزایشی لانتانیدی برای توسعه نسل جدید حسگر‌های نانوفوتونیکی اکسیژن برای کاربرد‌های زیرپوستی استفاده شده است. پدیده تبدیل افزایشی فرکانس، یک فرآیند غیرخطی است که طی آن دو یا چند فوتون کم‌انرژی فروسرخ نزدیک، جذب شده و یک فوتون پرانرژی با طول موج کوتاه‌تر تابش می‌شود.

حیدری ضمن اشاره به خصوصیات این نوع نانوتابشگر‌ها گفت: «ویژگی‌هایی از جمله پایداری اپتیکی بالا، عدم وابستگی طیف تابشی به ابعاد نانوذرات، جابجایی پاداستوکس زیاد و طول عمر تابش طولانی باعث شده است نانوتابشگر‌های لانتانیدی تبدیل افزایشی فرکانس، مورد توجه قرار گیرند.»

در ساختار این نانوذرات حداقل دو نوع یون از گروه لانتانید‌ها درون ماتریس غیرفعال میزبان آلاییده می‌شوند. یون‌های حساس‌کننده، فوتون‌های فروسرخ ورودی را جذب کرده و انرژی آن را به یون‌های فعال‌کننده منتقل می‌کند که در نهایت به صورت فوتون‌هایی در محدوده مرئی تابش می‌شود.

استادیار دانشکده فیزیک دانشگاه خوارزمی گفت: «توسط این حسگر نانوفوتونیکی توسعه‌یافته، غلظت اکسیژن در هوا و آب با دو فناوری طیف‌سنجی تفکیک زمانی و شدت‌سنجی اندازه‌گیری شد.

در این مقاله حساسیت به اکسیژن نانوذرات تبدیل افزایشی فرکانس توسط طیف‌سنجی تفکیک زمانی نشان داده شد. حسگر نانوفوتونیکی تبدیل افزایشی با بررسی پارامتر‌های کلیدی حساسیت، پایداری، برگشت‌پذیری، تکرارپذیری و وابستگی دمایی با هر دو روش شدت‌سنجی و طیف‌سنجی تفکیک زمانی در آب و هوا و با دو منبع برانگیزش متفاوت ۴۱۰ و ۹۸۰ نانومتر مشخصه‌یابی شد.

در نهایت برای اثبات لزوم استفاده از منابع برانگیزش فروسرخ در کاربرد‌های کاشتنی و زیرپوستی، حسگر زیر پوست نمونه حیوانی قرار داده شد و مشاهده شد شدت تابش حسگر تبدیل افزایشی اکسیژن در برانگیزش با منبع ۹۸۰ نانومتر بیش از ۱۲ برابر از برانگیزش با منبع ۴۱۰ نانومتر بیشتر بوده است. این افزایش شدت سیگنال تابش می‌تواند روند پیشرفت حسگر‌های نانوفوتونیکی کاشتنی را شتاب دهد.»

نتایج این طرح در توسعه نسل جدید حسگر‌های نانوفوتونیکی اکسیژن در کاربرد‌های پزشکی و حسگر پیوسته و کم‌تهاجمی گلوکز برای بیماران دیابتی و همچنین توسعه تصویربرداری اکسیژن در درمان تومور‌های سرطانی در شرایط هایپوکسی با برانگیزش فروسرخ و توسعه فوتوداینامیک‌تراپی با برانگیزش فروسرخ کاربرد دارد.

این پژوهش در آزمایشگاه حسگر‌های نانوفوتونیکی و اپتوفلوئیدیک دانشکده فیزیک دانشگاه خوارزمی توسط جواد امیراحمدی دانش‌آموخته کارشناسی ارشد فوتونیک این دانشگاه و زیر نظر دکتر اسماعیل حیدری و دکتر محمدحسین مجلس‌آرا با همکاری دانشگاه‌های گلاسکو اسکاتلند و جیلیانگ چین صورت گرفته است. حاصل این همکاری با مسئولیت دکتر حیدری مقاله‌ای تحت عنوان Dual-mode nanophotonic upconversion oxygen sensors بود که در مجله Nanoscale به چاپ رسید.