เซ็นเซอร์ผลึกโฟตอนิกส์
เซ็นเซอร์ผลึกโฟตอนิกใช้ ผลึก โฟตอนิกซึ่ง เป็น โครงสร้าง นาโน ที่ประกอบด้วยการจัดเรียงเป็นระยะของวัสดุไดอิเล็กทริกที่ทำปฏิกิริยากับแสงขึ้นอยู่กับโครงสร้างเฉพาะของมัน โดยสะท้อนแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะที่มุมเฉพาะ การเปลี่ยนแปลงใดๆ ในความเป็นคาบหรือดัชนีหักเหของโครงสร้างสามารถทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในสีที่สะท้อน หรือสีที่ผู้สังเกตหรือสเปกโทรเมตรรับ รู้ได้ [ 1 ] [ 2 ]หลักการง่ายๆ นี้ทำให้เซ็นเซอร์แบบใช้สีที่ใช้งานง่ายเหล่านี้มีประโยชน์สำหรับการใช้งานต่างๆ รวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียง การวิเคราะห์สิ่งแวดล้อม การตรวจวัดอุณหภูมิ การตรวจจับแม่เหล็ก การตรวจจับทางชีวภาพ การวินิจฉัย การควบคุมคุณภาพอาหาร ความปลอดภัย และการตรวจจับเชิงกล[ 3 ]สัตว์หลายชนิดในธรรมชาติ เช่น ปลาหรือด้วง ใช้ผลึกโฟตอนิกที่ตอบสนองได้เพื่อการพรางตัว การส่งสัญญาณ หรือเพื่อล่อเหยื่อ[ 4 ]ความหลากหลายของวัสดุที่สามารถนำมาใช้ในโครงสร้างดังกล่าว ตั้งแต่สารอนินทรีย์ สารอินทรีย์ ไปจนถึงอนุภาคนาโนโลหะพลาสมอนิกทำให้โครงสร้างเหล่านี้สามารถปรับแต่งและใช้งานได้หลากหลายอย่างมาก ในกรณีของวัสดุอนินทรีย์ การเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหเป็นปรากฏการณ์ที่ถูกนำมาใช้ประโยชน์มากที่สุดในการตรวจวัด ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงของคาบเวลาพบได้บ่อยในเซ็นเซอร์ ที่ทำจากพอลิเมอร์ นอกจากขนาดที่เล็กแล้ว ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีการผลิตในปัจจุบันทำให้การผลิตเซ็นเซอร์เหล่านี้ในปริมาณมากทำได้ง่ายและราคาถูก ทำให้สามารถผลิตได้ในปริมาณมากและใช้งานได้จริง
ประเภทและโครงสร้าง
ไบโอเซนเซอร์และห้องปฏิบัติการแบบบูรณาการบนชิป
เนื่องจากผลึกโฟตอนิกที่ได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสมแสดงให้เห็นถึงความไว สูง ความ สามารถในการเลือก ความเสถียร และการทำงานโดยไม่ต้องใช้ไฟฟ้าหากจำเป็น จึงกลายเป็นเซนเซอร์ชีวภาพแบบพกพาที่ได้รับการวิจัยอย่างมาก การพัฒนาด้านการวิเคราะห์ การย่อขนาดอุปกรณ์ การออกแบบของเหลว และการบูรณาการได้ผลักดันการพัฒนาเซนเซอร์ผลึกโฟตอนิกแบบบูรณาการในสิ่งที่เรียกว่าอุปกรณ์แล็บออนอะชิป ซึ่งมีความไวสูง ขีดจำกัดการตรวจ จับ ต่ำ เวลาตอบสนองที่เร็วขึ้น และต้นทุนต่ำ[ 5 ] สารวิเคราะห์ที่น่าสนใจทางชีวภาพจำนวน มาก เช่น โปรตีนดีเอ็นเอ [ 6 ] เซลล์มะเร็ง[ 7 ]กลูโคส[ 8 ]และแอนติบอดี สามารถตรวจจับ ได้ด้วยเซนเซอร์ประเภทนี้ ซึ่งเป็นเครื่องมือวินิจฉัยและตรวจสอบสุขภาพที่รวดเร็ว ราคาถูก และแม่นยำ ที่สามารถตรวจจับความเข้มข้นได้ต่ำถึง 15 nM โมเลกุลเป้าหมายทางเคมีหรือชีวภาพบางชนิดสามารถบูรณาการเข้ากับโครงสร้างเพื่อให้เกิดความจำเพาะ[ 9 ]
เซ็นเซอร์เคมี
เนื่องจากสารเคมีวิเคราะห์มีดัชนีหักเหเฉพาะตัว จึงสามารถเติมเต็มโครงสร้างโฟตอนิกที่มีรูพรุน ทำให้ดัชนีหักเหที่มีประสิทธิภาพเปลี่ยนแปลงไป และส่งผลให้สีเปลี่ยนไปในลักษณะคล้ายลายนิ้วมือ ในทางกลับกัน สารเคมีวิเคราะห์ยังสามารถเปลี่ยนแปลงปริมาตรของ โครงสร้างที่ใช้พอ ลิเมอร์ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในความเป็นคาบ ซึ่งนำไปสู่ผลลัพธ์ที่คล้ายคลึงกัน ใน ไฮ โดรเจลที่มีไอออน การ บวมตัวอย่างเลือกสรรส่งผลให้มีความเฉพาะเจาะจง มีการศึกษาการประยุกต์ใช้ในสภาพแวดล้อมที่เป็นก๊าซและน้ำเพื่อตรวจจับความเข้มข้นของสารเคมี ตัวทำละลาย ไอระเหย[ 10 ]ไอออน[ 11 ]ค่า pH [ 12 ]และความชื้น ความเฉพาะเจาะจงและความไวสามารถควบคุมได้โดยการเลือกวัสดุที่เหมาะสมและการโต้ตอบกับสารวิเคราะห์ ซึ่งสามารถสร้างเซ็นเซอร์ที่ไม่ต้องใช้ฉลากได้[ 13 ]ความเข้มข้นของสารเคมีในเฟสไอหรือของเหลว รวมถึงในส่วนผสมที่ซับซ้อนกว่า สามารถกำหนดได้อย่างมั่นใจสูง[ 14 ] [ 15 ]
เซ็นเซอร์เชิงกล
สัญญาณเชิงกลที่แตกต่างกัน เช่นแรงดันความเครียดแรงบิดและการดัดงอสามารถตรวจจับได้ด้วยเซ็นเซอร์ผลึกโฟตอนิก โดยทั่วไป เซ็นเซอร์เหล่านี้อาศัยการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากการเสียรูป ใน ค่าคงที่ของแลตติสในวัสดุที่ยืดหยุ่นได้ เช่น คอมโพสิต อีลาสโตเมอร์หรือผลึกคอลลอยด์ทำให้เกิด ผล เมคาโนโครมิกเมื่อยืดหรือหดตัว[ 16 ]
ผลึกโฟตอนิก 3 มิติ
โอปอลสังเคราะห์เป็นผลึกโฟตอนิกสามมิติที่มักประกอบขึ้นจาก นาโนสเฟียร์ ที่ประกอบตัวเองซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในระดับหลายร้อยนาโนเมตร โดยวัสดุที่มีดัชนีหักเหสูงคือตัวทรงกลมเอง และวัสดุที่มีดัชนีหักเหต่ำคืออากาศหรือสารเติมแต่งอื่น ในทางกลับกัน โอปอลผกผันเป็นโครงสร้างที่ช่องว่างระหว่างทรงกลมถูกเติมด้วยวัสดุอื่น และทรงกลมจึงถูกกำจัดออกไป ทำให้มีปริมาตรว่างมากขึ้นสำหรับการแพร่กระจายของสารเคมี ได้เร็วขึ้น [ 17 ]
เส้นใยคริสตัลโฟตอนิก
เส้นใยคริสตัลโฟตอนิกเป็นเส้นใยนำแสงชนิดพิเศษที่มีรูอากาศกระจายตัวในรูปแบบเฉพาะรอบแกนแข็งหรือแกนกลวง เนื่องจากมีความไวสูง ความยืดหยุ่นโดยธรรมชาติ และเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก จึงสามารถนำไปใช้ในสถานการณ์ต่างๆ ที่ต้องการความทนทานและพกพาสะดวกสูง เมื่อเปรียบเทียบกับเส้นใยนำแสงแบบดั้งเดิม เส้นใยคริสตัลโฟตอนิกมีการหักเหของแสงสูง มีการกระจายตัวที่ปรับแต่งได้ มีการสูญเสียจำกัด และมีการแพร่กระจายแบบโหมดเดี่ยวอย่างไม่สิ้นสุดในช่วงความยาวคลื่นที่ยาว และมีการตอบสนองการตรวจจับที่รวดเร็วมาก[ 18 ]
ตะแกรงและแผ่น 2 มิติ
แผ่นหนึ่งมิติที่มีระเบียบสองมิติที่เกิดจากการกำจัดวัสดุแบบเลือกสรร ทำให้เกิดรูปแบบของรูหรือร่องในวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกัน เป็นโครงสร้างผลึกโฟตอนิกที่นิยมใช้ในการตรวจจับ[ 19 ]
กระจก Fabry-Pérot
กระจก Fabry-Pérotเป็นผลึกโฟตอนิกแบบระนาบที่รักษาความเป็นคาบไว้เฉพาะในมิติ z เท่านั้น[ 20 ] เซ็นเซอร์อนินทรีย์พรุนแบบสปัตเตอร์ เซ็นเซอร์พอลิเมอร์แบบสปินโค้ท และโคพอลิ เมอร์บล็อกที่ประกอบตัวเองเป็นโครงสร้าง 1 มิติแบบระนาบที่ใช้กันทั่วไปบางส่วน[ 21 ] [ 22 ]