โครงการวิจัยนี้  ตัวอย่างเครื่องมือที่ต้องการสร้างขึ้นประกอบด้วย

อุปกรณ์สำหรับวัดสเปกตรัมการกระเจิงแสงสำหรับโครง สร้างระดับนาโนของโลหะ สำหรับใช้กับกล้องจุลทรรศน์เชิงแสงทั่วไป

ชุดทดลองสำหรับวัดสเปกตรัมการกระเจิงแสง (Scattering spectrum) หรือการลดทอนแสง (Extinction spectrum) สำหรับสารตัวอย่างที่เป็นสารละลายและมีปริมาณน้อย เช่น มีปริมาตร 10 - 100 ไมโครลิตร เป็นต้น

อุปกรณ์และชุดทดลองเชิงแสงดังกล่าว จะช่วยให้นักวิจัยในประเทศสามารถตรวจวัดคุณสมบัติเชิงแสงของโครงสร้างระดับ นาโนได้แม่นยำมากขึ้น โดยไม่ต้องจัดหาเครื่องมือวิเคราะห์ที่มีราคาแพงจากต่างประเทศ

เครื่องมืออีกชนิดหนึ่งที่มีความสำคัญในการศึกษาคุณสมบัติเชิงแสงของโครง สร้างระดับนาโนคือ ซอฟต์แวร์สำหรับการจำลองเชิงตัวเลขโดยใช้เทคนิค Finite-different time-domain (FDTD) ซอฟต์แวร์ดังกล่าวนิยมใช้ในการคำนวณหาสเปกตรัมแสงของอนุภาคและสนามไฟฟ้ารอบๆ อนุภาค ผลการคำนวณสามารถนำมาอธิบายผลการทดลองได้ เพื่อให้เข้าใจหลักการทำงานของอนุภาคได้ชัดเจนมากขึ้น ซอฟต์แวร์ FDTD มีใช้งานโดยทั่วไป แต่การใช้งานกับโครงสร้างระดับนาโนของโลหะนั้นต้องใช้ความรู้ความชำนาญเฉพาะ ด้าน การพัฒนาบุคลากรที่มีความรู้ความเชี่ยวชาญด้านนี้ขึ้นในเนคเทค จะสามารถช่วยสนับสนุนการวิจัยและพัฒนาในสาขานี้ได้

เพื่อแสดงความเป็นไปได้ของการประยุกต์ใช้โครงสร้างระดับนาโนของโลหะกับการ พัฒนาเป็นไบโอเซนเซอร์ขนาดเล็ก ทีมวิจัยจะเลือกตัวอย่างโครงสร้างนาโนที่ได้รับการศึกษาวิจัยไประดับหนึ่ง เช่น อนุภาคนาโนของทองหรืออนุภาคนาโนคู่ของทอง (Gold nanoparticle dimers) ซึ่งเป็นโครงสร้างที่มีอนุภาคนาโน 2 อนุภาค ถูกจับยึดเข้าใกล้กันด้วยสายดีเอ็นเอเป้าหมาย ดังรูปที่ 4 (ดร.สุกัญญา แซ่เอี๋ยว, BIOTEC) โครงสร้างดังกล่าวถูกนำไปใช้เป็นดีเอ็นเอเซนเซอร์ อย่างไรก็ตาม ยังไม่ได้รับการศึกษาคุณสมบัติเชิงแสงโดยละเอียด โดยเฉพาะระดับอนุภาค ซึ่งทีมวิจัยจะนำโครงสร้างนาโนดังกล่าวมาทดลองวัดคุณสมบัติเชิงแสงเพิ่มเติม ด้วยอุปกรณ์และชุดทดลองที่สร้างขึ้น และเปรียบเทียบกับผลการจำลองด้วยซอฟต์แวร์ FDTD ทีมวิจัยคาดหมายว่าจากผลการทดลองและการคำนวณที่ได้ จะทำให้สามารถพัฒนาแนวทางใหม่ๆ ในการพัฒนาไบโอเซนเซอร์ดังกล่าวให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น เช่น สามารถตรวจวัดได้ที่ความเข้มข้นของดีเอ็นเอเป้าหมายได้ต่ำลงกว่าเดิม

ครุภัณฑ์หลักที่สำคัญในการสร้างอุปกรณ์และชุดทดลองดังกล่าว เช่น กล้องจุลทรรศน์เชิงแสง กล้องซีซีดีสำหรับแสงความเข้มต่ำ ซอฟต์แวร์ FDTD สเปกโตรมิเตอร์ เป็นต้น ห้องปฏิบัติการวิจัยเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ได้จัดหาไว้แล้วผ่านการจัดสรร ครุภัณฑ์ประจำปี (Capacity building) และบางส่วนอยู่ในระหว่างการจัดหาเพิ่มเติม

อนึ่ง โครงสร้างระดับนาโนของโลหะ (Metallic nanostructures) มีปรากฎการณ์เชิงแสงที่แตกต่างจากโครงสร้างโลหะทั่วไปอย่างมาก เมื่อมองด้วยตาเปล่าเราจะพบว่าโครงสร้างระดับนาโนของโลหะจะมีสีต่างๆ ขึ้นอยู่กับขนาด ชนิดโลหะ และสภาพแวดล้อม ปรากฏการณ์ดังกล่าวสามารถอธิบายได้โดยใช้ทฤษฎีการกระเจิงแสงสำหรับโครงสร้าง ระดับนาโน และการเกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเนื่องจากการสั่นของอิเล็กตรอนอิสระที่ผิวโลหะ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวเป็นคลื่นผิวและสามารถเคลื่อนที่ได้ตามแนวพื้น ผิวเป็นระยะทางสั้นๆ นิยมเรียกคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าดังกล่าวว่า Surface plasmon polaritons (SPP) หรือเรียกสั้นๆ ว่า พลาสโมนิกส์หรือนาโนพลาสโมนิกส์ (Plasmonics/Nanoplasmonics) ปรากฏการณ์นี้ได้รับความสนใจอย่างมากจากนักวิจัยทั่วโลก เพราะสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลายด้าน โดยเฉพาะในสาขาชีวภาพ เช่น การตรวจวินิจฉัยและการรักษาโรคมะเร็ง ไบโอเซนเซอร์ที่มีขนาดเล็ก การศึกษากลไกการทำงานของเซลล์สิ่งมีชีวิต เป็นต้น ปัจจุบันนี้โครงสร้างระดับนาโนของโลหะกลายเป็นวัสดุที่สำคัญสำหรับการ ประยุกต์ใช้ในทางชีวภาพหรือในสาขาไบโอนาโนเทคโนโลยี (Nanobiotechnology)

วัตถุ ประสงค์ของโครงการ

1. สร้างชุดลองวัดสเปกตรัมการกระเจิงแสงและสเปกตรัมการลดทอนของแสงสำหรับอนุภาค นาโนหรือโครงสร้างระดับนาโนของโลหะ สำหรับใช้ในการวิจัยและพัฒนา

2. ศึกษาคุณสมบัติเชิงแสงโครงสร้างระดับนาโนของโลหะ เช่น อนุภาคนาโนเดี่ยวหรืออนุภาคนาโนคู่ของทอง (Gold nanoparticle dimers) โดยใช้การศึกษาทางทฤษฎีและโปรแกรม Finite difference time domain (FDTD) และการทดลองโดยใช้ชุดทดลองที่สร้างขึ้น

3. ศึกษาแนวทางการประยุกต์ใช้อนุภาคนาโนของทองเป็นไบโอเซนเซอร์ที่มีขนาดเล็ก

บท คัดย่อ

อนุภาค นาโนของทองขนาด 10 - 100 nm มีสเปกตรัมการกระเจิงแสงในช่วง 530 - 600 nm โดยเมื่อขนาดใหญ่ขึ้นสเปกตรัมการกระเจิงแสงจะเลื่อนไปทางขวา คุณสมบัติเชิงแสงดังกล่าว ทำให้เมื่อสังเกตุอนุภาคนาโนของทองด้วยกล้องจุลทรรศน์ในโหมดดาร์คฟิลด์ (Dark-field microscopy) จะพบว่าอนุภาคขนาด 40 nm จะมีสีเขียวและอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ขึ้นจะมีสีเขียว-เหลืองหรือค่อนข้างแดง ดังรูปที่ 1 ปรากฏการณ์ดังกล่าวได้ถูกประยุกต์ใช้เป็นหลักการวัดไบโอเซนเซอร์ที่มีขนาด เล็กและราคาถูก เช่น เมื่อเติมสารตัวอย่างที่มีโมเลกุลสารชีวภาพที่ต้องการวัดปนอยู่ ลงไปในสารละลายที่มีอนุภาคนาโนของทองซึ่งติดผิวด้วยสารชีวภาพสำหรับตรวจจับ (Ligands) จะทำให้อนุภาคนาโนของทองเกิดการจับกลุ่มกัน (Aggregation) ทำให้สเปกตรัมการกระเจิงเลื่อนไปทางขวา ซึ่งสังเกตการเปลี่ยนสีได้ด้วยตาเปล่า ดังรูปที่ 2 และรูปที่ 3 หรือสามารถตรวจวัดด้วยเครื่องมือเชิงแสงที่มีราคาถูก เหมาะสำหรับการใช้งานแบบภาคสนามและการใช้งานแบบใช้แล้วทิ้ง (Disposable)

นอกจากอนุภาคนาโนของทองแล้ว โครงสร้างระดับนาโนของโลหะรูปแบบอื่นๆ ยังได้รับความสนใจอย่างมากนำมาประยุกต์ใช้เป็นวัสดุตรวจวัดสำหรับไบโอเซน เซอร์ โดยมีเป้าหมายการใช้งานที่คล้ายคลึงกันคือ การพัฒนาเซนเซอร์ที่มีขนาดเล็กเหมาะสำหรับการใช้งานภาคสนาม ตัวอย่างโครงสร้างระดับนาโนที่มีการรายงานไว้ เช่น นาโนโฮลและนาโนโฮลอาร์เรย์ นาโนปิระมิด นาโนรอด สายอากาศนาโน เป็นต้น ซึ่งเทคนิคการตรวจวัดคุณสมบัติโครงสร้างนาโนเหล่านิ้ ส่วนใหญ่แล้วจะใช้การวัดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชิงแสงของอนุภาคมากกว่าการ ตรวจวัดคุณสมบัติด้านอื่นๆ เนื่องจากทำได้ง่ายกว่า

ระยะ เวลาดำเนินโครงการ : 1 พฤษภาคม พ.ศ.2554 ถึง 30 เมษายน พ.ศ.2555

คณะผู้ วิจัย
หัวหน้าโครงการ :     นายบุญส่ง สุตะพันธ์
ผู้ร่วมวิจัย :     นายสถาพร จันทน์หอม, นายอาโมทย์ สมบูรณ์แก้ว, นายรัฐศาสตร์ อัมฤทธิ์