Ressonância de plasmon de superfície

A ressonância do plasmon de superfície (ou em inglês : ressonância de plasmon de superfície ) é um fenômeno físico de interação luz-matéria conhecido principalmente por seu uso como método de medição da ligação de um " ligante " a um " receptor " adsorvido à superfície de uma camada de metal.

A ressonância plasmônica de superfície é uma oscilação da densidade de cargas que podem existir na interface entre dois meios ou materiais com constantes dielétricas de sinais opostos, como um condutor imerso em um líquido dielétrico. No caso de um condutor, os elétrons livres (camada de valência ) constituem um gás (plasma) em sua superfície. Sua oscilação pode ser descrita por uma onda tendo um máximo na interface com o dielétrico e diminuindo exponencialmente (evanescente) em ambos os meios. Esses plasmons de superfície podem ser ressonados com o auxílio de uma onda eletromagnética que preenche certos critérios, como o comprimento de onda em relação ao tamanho da estrutura metálica.

Histórico

Desde o XVII º século, soluções colóide de partículas de ouro em nanoescala foram usadas para tingir as janelas de um rubi vermelho. Foi apenas com o esforço de Faraday que estabeleceu o vínculo com o ouro e de Mie que se interessou pela absorção e dispersão da luz por partículas metálicas esféricas.

Em 1902 , Wood, observando o espectro de uma fonte contínua de luz branca usando uma grade de difração reflexiva, notou finas faixas escuras no espectro difratado. Análises teóricas realizadas por Fano em 1941 , levaram à conclusão de que essas anomalias estavam associadas a ondas de superfície ( plasmons de superfície ) suportadas pela rede. Em 1968 , Otto mostrou que essas ondas de superfície podem ser excitadas usando reflexão atenuada total. No mesmo ano, Kretschmann e Raether obtêm os mesmos resultados de uma configuração diferente do método de reflexão total atenuada. Como resultado deste trabalho, o interesse por plasmons de superfície aumentou consideravelmente, em particular para caracterizar filmes finos e para estudar processos que ocorrem em interfaces metálicas. Marcando uma virada nas aplicações de plasmons de superfície, Nylander e Liedberg exploraram pela primeira vez, em 1983 , a configuração de Kretschmann para a detecção de gases e biomoléculas .

Princípio do fenômeno

Os elétrons livres em um metal podem se mover livremente no material com um caminho livre médio de cerca de 50 nm. Para partículas dessa mesma ordem de magnitude, a interação onda-matéria não resulta mais em espalhamento de volume, mas em interações de superfície. Quando a onda incidente tem comprimento de onda muito maior que o tamanho da camada de metal (ou como veremos a seguir da partícula), ela pode gerar uma ressonância estacionária pela interação com os elétrons da banda de condução. Quando a onda ressoa com os plasmons de superfície, os elétrons livres oscilam de forma coerente. Conforme a frente de onda se propaga, a densidade de carga é polarizada e oscila de acordo com a frequência do campo no sólido. Isso resulta em oscilações dipolares estacionárias orientadas de acordo com o campo elétrico da onda de excitação. Isso é chamado de ressonância de plasma de superfície.

Elementos da teoria

A descrição dos plasmons de superfície é baseada no formalismo das equações de eletromagnetismo de Maxwell, em particular para interfaces metal-dielétricas simples.

Se no vácuo, o campo eletromagnético pode ser descrito pelo campo elétrico e o campo magnético , são necessários três outros vetores na matéria para dar conta do campo magnético na matéria, o deslocamento elétrico e a densidade da corrente elétrica (respectivamente o vetores ). as relações entre as quantidades no vazio e as da matéria podem ser relacionadas pelas equações constitutivas . Teremos, portanto, as quatro equações de Maxwell mais três equações constitutivas. Ainda não permite uma descrição completa do campo eletromagnético sem levar em conta as condições de contorno, pois o que nos interessa é o comportamento da onda na interface entre o dielétrico e o metal. Para completar este formalismo, vamos nos concentrar nos componentes tangencial e normal do campo eletromagnético na incidência de uma superfície. ${\ vec {E}}$ ${\ vec {B}}$ ${\ displaystyle {\ vec {H}}, {\ vec {D}} {\ text {e}} {\ vec {J}}}$

Formulários

Vamos distinguir dois casos (entre outros) de aplicação de ressonância de plasmon de superfície. A aplicação mais comum e documentada continua sendo o uso desse fenômeno na detecção da variação do índice na interface de um metal nobre, potencialmente induzida pela presença de uma molécula de interesse ( biossensores ). Também podemos nos perguntar o que acontece no caso em que o objeto plasmônico é de tamanho muito pequeno, ao contrário do caso abaixo. Falaremos sobre nanopartículas plasmônicas e fenômenos localizados.

Plasmões de superfície localizados

Quando a estrutura plasmônica é de tamanho comparável ao comprimento de onda de excitação, surge a questão do espectro de extinção e da competição entre absorção e difusão.

Plasmões de superfície plana

A localização do fenômeno nas proximidades da interface permitiu o desenvolvimento de sistemas de detecção de SPR medindo a variação do índice de refração na vizinhança da interface quando o ligante se liga aos receptores. O plasmon de superfície é uma onda exponencialmente decrescente em ambos os lados da interface que separa um metal (ouro, prata, etc. ) de um meio dielétrico sem perdas (meio biológico por exemplo), paralelo ao qual se propaga. O campo eletromagnético no meio biológico tendo um caráter de onda evanescente, ou seja, a amplitude diminuindo exponencialmente com a distância à interface, a fixação das moléculas na interface irá modificar as informações contidas na onda tanto em termos de fase quanto sua amplitude. A onda plasmon atua como uma sonda no meio onde ocorre a reação biomolecular. A informação pode então ser coletada na fase ou na amplitude do feixe refletido. Normalmente, a onda incidente, TM polarizada, passa primeiro por um prisma de vidro de alto índice de refração (mas também se pode usar uma rede de difração) e é refletida na interface revestida de metal em um ângulo de incidência maior do que o ângulo crítico definido com respeito ao ambiente biológico. Este prisma constitui o dispositivo para acoplar a onda incidente com a onda de superfície (plasmon de superfície).

Resumindo :

requer reflexão total para que não haja luz refratada;
a luz é composta por diferentes componentes eletromagnéticos, incluindo ondas evanescentes que se propagam perpendicularmente à interface e cuja distância de propagação é equivalente ao seu comprimento de onda;
os fótons do raio incidente entram em ressonância com os elétrons livres;
a superfície do chip do sensor é geralmente revestida de ouro. É uma superfície rica em elétrons livres;
parte da luz refletida é absorvida por arranjos de diodos que medem a queda na intensidade do feixe refletido;
o ângulo de ressonância varia com o índice de refração do meio, estando ou não ligado à presença de moléculas em interação;
a variação do ângulo de ressonância em função do tempo permite a visualização das interações em tempo real sem marcação.

Vários

A ressonância plasmônica de superfície pode, em particular, ser usada em detectores biológicos imunológicos. Uma superfície do metal (Ag ou Au) é funcionalizada com anticorpos e a ligação de antígenos a estes pode ser detectada com este método. As vantagens deste sistema como sensor biológico são as seguintes:

não há necessidade de usar marcadores fluorescentes ou radioativos. O tempo de preparação para a detecção é, portanto, reduzido;
a análise em si também é muito rápida e, portanto, pode ser realizada em tempo real;
a flexibilidade do sistema é grande porque pode se adaptar à detecção de qualquer analito .

Desde o início da década de 1990 , muitas empresas foram criadas em torno do desenvolvimento de biossensores ópticos pela SPR.

Notas e referências

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