نوع جدیدی از تشدید‌کننده موج-صوتیِ لایه نازک که قادر است به‌ طور همزمان جرم و دما را اندازه‌گیری کند، توسط تیم بین‌المللی از پژوهشگران رونمایی شد. این دستگاه به کاربران اجازه می‌دهد تا تغییرات دمایی را که هنگام اندازه‌گیری جرم به وسیله حسگر، روی آن اثر می‌گذارد تصحیح کنند- نقصی که تا قبل از این، مانع استفاده از حسگرهای موج-صوتی جهت اندازه گیری جرم در خارج از شرایط آزمایشگاهی کنترل شده، می‌شد. طبق گفته این تیم، دستگاه جدید کاربردهایی در حوزه بهداشت و درمان، نظارت بر محیط زیست و صنعت ارتباط از راه دور دارد.

مربع حساس

در طول چند سال گذشته پژوهشگران علاقمند به توسعه میکرو‌تشدید‌کننده‌ها بوده‌اند به خصوص آن‌هایی که به منظور تخمین وزنی جهت اندازه‌گیری تغییرات جرم درون یک سیستم بکار می‌روند. حسگرهای با ابعاد میکرو که از تشدید‌کننده‌های موج-صوتی حجمی (BAW) با فرکانس بالا تشکیل‌شده‌اند، شامل یک لایه پیزوالکتریک هستند که بین دو الکترود ساندویچ شده و به آن‌ها یک سیگنال با فرکانس متغیر اعمال می‌شود. تشدید‌کننده در یک فرکانس مشخص ارتعاش می‌کند و ویژگی‌های موج صوتی حاصل به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا آنچه را که در محیط رخ می‌دهد، مشخص کنند. تغییر در موج صوتی اندازه‌گیری شده بیانگر تغییر در جرم است و این زمانی اتفاق می‌افتد که جسم مورد نظر جذب سطح تشدید‌کننده شود.

حس و حساسیت

مشکل عمده استفاده از این تشدید‌کننده‌ها برای کاربردهای تجاری آن است که نسبت به دما بسیار حساس هستند. هر تغییری در دما موجب تغییری در موج صوتی می‌شود و تشخیص اینکه این تغییر، عکس‌العمل نسبت به جرم درحال اندازه‌گیری است یا تغییرات دما غیرممکن است. به همین دلیل این حسگرها در حال حاضر تنها در آزمایشگاه‌ها، جایی که همه شرایط از جمله دما را می‌توان با دقت کنترل کرد، استفاده می‌شوند.

لوئیس گارسیا از دانشگاه کمبریج انگلستان توضیح می‌دهد که در گذشته گروه‌های تحقیقاتی زیادی تلاش کردند تا اثری را که تغییر دما روی سیستم می‌گذارد از بین ببرند، اما با شکست مواجه شدند. چون این تغییرات غیرخطی هستند و تنها می‌توانند به حداقل برسند اما هرگز به طور کامل قابل حذف نیستند. آنچه که لوئیس گارسیا و همکارانش انجام داده‌اند، آن است که این تغییرات دمایی را پذیرفتند اما مقدار آن را محاسبه‌ کردند. گارسیا می‌گوید: «ما تصمیم گرفتیم هر بار که جرم را اندازه‌ می‌گیریم، دما را نیز اندازه‌گیری کنیم و به این ترتیب بتوانیم اثرات دما را حذف کنیم.»

تشدید و پاسخ

این تیم نوع جدیدی از تشدید‌کننده موج-صوتی حجمیِ لایه نازک طراحی کرده است که اجازه می‌دهد جرم و دما  به طور همزمان در یک دستگاه اندازه‌گیری شوند. حسگر جدید یک دستگاه چند‌لایه است که دو فرکانس اصلی تشدید را دارد. این فرکانس‌ها به سختی نسبت به تغییرات دما و جرم عکس‌العمل نشان می‌دهند. یک لایه اضافی از ماده غیرفعال نیز در زیر مواد پیزوالکتریک اضافه شده که تشدید ثانویه را ایجاد می‌کند.

گارسیا توضیح می‌دهد که اگر فقط تغییری در جرم رخ دهد، هر دو تشدید غیرفعال باقی مانده و فقط جرم اندازه‌گیری می‌شود. اما اگر تغییر  در دما و جرم رخ دهد، تشدیدی که فرکانس مثبت را نشان می‌دهد، با افزایش دما جابجا شده و تشدید دیگری که فرکانس منفی را نشان می‌دهد نیز با این تغییرات دما جابجا می‌شود به‌گونه‌ای که یکی افزایش یافته و دیگری کاهش می‌یابد. بنابراین با اندازه‌گیری همزمان هر دو تشدید، هر تعییری در فرکانس می‌تواند به صورت ترکیبی از مؤلفه های جرم و تغییر دما بیان شود.

گارسیا می‌گوید: «این، دو پیامد دارد: اول اینکه ما قادریم اثرات دما را صرف‌نظر از غیرخطی بودن آن، به طور کامل حذف کنیم، و دوم آنکه ما قادریم جرم و دما را با حساسیت بسیار بالا دقیقاً در یک مکان اندازه‌گیری کنیم که پیش از این میسر نبود.» او معتقد است که این‌ها سودمند بودن دستگاه را نشان می‌دهند، چرا که بسیاری از فعل و انفعالات بیولوژیکی وابستگی دمایی دارند و بنابراین داشتن چنین اطلاعاتی در مورد اندازه‌گیری دما کمک بزرگی محسوب می‌شود.

شناسایی ویروس‌ها

گارسیا می‌افزاید که دستگاه جدید حجیم نیست و همان سیستم الکترونیکی را داراست که در اغلب حسگرها وجود دارد. در نتیجه آن را می‌توان به آسانی با فن‌آوری‌های موجود یکپارچه ساخت. با این وجود که پژوهشگران هنوز این کار را انجام نداده‌اند، از این دستگاه به عنوان یک بیو‌حسگر جهت شناسایی پروتئین‌ها در یک نمونه با غلظت پایین به طور موفقیت‌آمیزی استفاده کرده‌اند و به این وسیله حساسیت آن اثبات شده است.

در آینده این تیم امیدوار است که بتواند از این دستگاه در سیستم‌های بیولوژیکی و سنجش‌های فیزیکی استفاده کند. به دلیل حساسیت و اندازه این دستگاه، تشدید‌کننده‌ها می‌توانند نقشی حیاتی در حوزه بهداشت و درمان و نیز نظارت بر محیط زیست ایفا کنند. آن‌ها را می‌توان به آسانی در دستگاه‌های پزشکی کوچک تعبیه کرد و جرم‌هایی به کوچکی 10^-15g را که معادل جرم یک ویروس است، شناسایی کرد. هم‌چنین می‌توان آب آلوده را شناسایی کرد یا کیفیت هوا را اندازه‌گیری نمود. این پژوهشگران در حال حاضر همراه با متخصصان تجاری مؤسسه اقتصادی کمبریج به دنبال شرکای تجاری به منظور توسعه این فن‌آوری هستند. این پژوهش در مجله Biosensors and Bioelectronics  منتشر شده است.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/nov/23/tiny-sensor-measures-mass-and-temperature