Ressonância plasmônica de superfície

Ressonância plasmônica de superfície (abreviado na literatura em inglês como SPR, de surface plasmon resonance) é um fenômeno que ocorre quando os elétrons em uma folha de metal fina são excitados pela luz que é direcionada para a folha com um determinado ângulo de incidência e, em seguida, viajam paralelamente à folha. Assumindo um comprimento de onda constante da fonte de luz e que a chapa metálica é fina, o ângulo de incidência que aciona o SPR está relacionado ao índice de refração do material e mesmo uma pequena alteração no índice de refração fará com que o SPR não seja observado. Isto torna a SPR uma técnica possível para detectar substâncias específicas (analitos) e biosensores SPR tem sido desenvolvidos para detectar vários biomarcadores importantes.

Explicação

O polariton de plasmon de superfície é uma onda de superfície eletromagnética não radiativa que se propaga em uma direção paralela à interface permissividade negativa/material dielétrico. Como a onda está na fronteira do condutor e do meio externo (ar, água ou vácuo por exemplo), essas oscilações são muito sensíveis a qualquer alteração nesta fronteira, como a adsorção de moléculas à superfície condutora.

Para descrever a existência e as propriedades dos polaritons plasmônicos de superfície, pode-se escolher entre vários modelos (teoria quântica, modelo de Drude, etc.). A maneira mais simples de abordar o problema é tratar cada material como um continuum homogêneo, descrito por uma permissividade relativa dependente da frequência entre o meio externo e a superfície. Esta grandeza, doravante denominada "função dielétrica" dos materiais, é a permissividade complexa. Para que existam os termos que descrevem o plasmon de superfície eletrônico, a parte real da constante dielétrica do condutor deve ser negativa e sua magnitude deve ser maior que a do dielétrico. Esta condição é encontrada na região do comprimento de onda infravermelho-visível para interfaces ar/metal e água/metal (onde a constante dielétrica real de um metal é negativa e a do ar ou água é positiva).

Ressonância de plásmons de superfície localizados (abreviados na literatura em inglês como LSPRs, de localized surface plasmon resonances) são oscilações coletivas de carga de elétrons em nanopartículas metálicas que são excitadas pela luz. Exibem amplitude de campo próximo aprimorada no comprimento de onda de ressonância. Este campo é altamente localizado na nanopartícula e decai rapidamente da interface nanopartícula/dielétrica para o fundo dielétrico, embora o espalhamento de campo distante pela partícula também seja aumentado pela ressonância. O aumento da intensidade da luz é um aspecto muito importante dos LSPRs e a localização significa que o LSPR tem uma resolução espacial (comprimento de subonda) muito alta, limitada apenas pelo tamanho das nanopartículas. Devido à amplitude de campo aprimorada, os efeitos que dependem da amplitude, como o efeito magneto-óptico, também são aprimorados pelos LSPRs.

Implementações

Configuração de Otto

Configuração de Kretschmann

Para excitar polaritons plasmônicos de superfície de maneira ressonante, pode-se usar bombardeio de elétrons ou feixe de luz incidente (visível e infravermelho são típicos). O feixe de entrada deve combinar seu momentum com o do plasmon. No caso da luz p-polarizada (a polarização ocorre paralelamente ao plano de incidência), isso é possível passando a luz através de um bloco de vidro para aumentar o número de onda (e o momento) e alcançar a ressonância em um determinado comprimento de onda e ângulo. Luz S-polarizada (polarização ocorre perpendicularmente ao plano de incidência) não pode excitar plasmons eletrônicos de superfície. Os plasmons de superfície eletrônicos e magnéticos obedecem à seguinte relação de dispersão:

$k(\omega )={\frac {\omega }{c}}{\sqrt {\frac {\varepsilon _{1}\varepsilon _{2}\mu _{1}\mu _{2}}{\varepsilon _{1}\mu _{1}+\varepsilon _{2}\mu _{2}}}}$

onde k($\omega$) é o vetor de onda, $\varepsilon$ é a permissividade relativa e $\mu$ é a permeabilidade relativa do material (1: o bloco de vidro, 2: o filme metálico), enquanto $\omega$ é a frequência angular e ${c}$ é a velocidade da luz no vácuo.

Os metais típicos que suportam plasmons de superfície são prata e ouro, mas metais como cobre, titânio ou cromo também têm sido usados.

Ao usar luz para excitar ondas SP, existem duas configurações bem conhecidas. Na configuração Otto, a luz ilumina a parede de um bloco de vidro, normalmente um prisma, e é totalmente refletida internamente. Uma fina película de metal (por exemplo, ouro) é posicionada perto o suficiente da parede do prisma para que uma onda evanescente possa interagir com as ondas de plasma na superfície e, portanto, excitar os plasmons.

Na configuração Kretschmann (também conhecida como configuração Kretschmann–Raether), o filme metálico é evaporado no bloco de vidro. A luz ilumina novamente o bloco de vidro e uma onda evanescente penetra através da película metálica. Os plasmons são excitados na parte externa do filme. Esta configuração é usada na maioria das aplicações práticas.

Emissão SPR

Quando a onda plasmônica de superfície interage com uma partícula ou irregularidade local, como uma superfície áspera, parte da energia pode ser reemitida como luz. Esta luz emitida pode ser detectada “atrás” do filme metálico em várias direções.

Implementações analíticas

A ressonância plasmônica de superfície pode ser implementada em instrumentação analítica. Os instrumentos SPR consistem em uma fonte de luz, um esquema de entrada, um prisma com interface do analito, um detector e um computador.

Detectores

Os detectores usados na ressonância plasmônica de superfície convertem os fótons de luz refletidos no filme metálico em um sinal elétrico. Um detector de detecção de posição (PSD, position sensing detector) ou um dispositivo de carga acoplada (CCD, charged-coupled device) pode ser usado para operar como detectores.

Aplicações

Esquema para um sensor que usa ressonância plasmônica de superfície

Plasmons de superfície têm sido usados ​​para aumentar a sensibilidade da superfície de várias medições espectroscópicas, incluindo fluorescência, espalhamento Raman e geração de segundo harmônico. Na sua forma mais simples, as medições de refletividade SPR podem ser utilizadas para detectar adsorção molecular, como polímeros, DNA ou proteínas, etc. Tecnicamente, é comum medir o ângulo de reflexão mínima (ângulo de absorção máxima). Este ângulo muda na ordem de 0,1° durante a adsorção de filme fino (cerca de nm de espessura). (Veja também os Exemplos.) Em outros casos, as mudanças no comprimento de onda de absorção são seguidas. O mecanismo de detecção é baseado na adsorção de moléculas causando alterações no índice de refração local, alterando as condições de ressonância das ondas plasmônicas de superfície. O mesmo princípio é explorado na plataforma competitiva recentemente desenvolvida baseada em multicamadas dielétricas sem perdas (DBR), suportando ondas eletromagnéticas de superfície com ressonâncias mais nítidas (ondas de superfície de Bloch).

Se a superfície for padronizada com diferentes biopolímeros, usando óptica adequada e sensores de imagem (ou seja, uma câmera), a técnica pode ser estendida para imagem de ressonância de plasmon de superfície (SPRI). Este método fornece um alto contraste das imagens com base na quantidade adsorvida de moléculas, um pouco semelhante à microscopia ângulo de Brewster (esta última é mais comumente usada em conjunto com uma balança de Langmuir-Blodgett).

Para nanopartículas, oscilações plasmônicas de superfície localizadas podem dar origem às cores intensas de suspensões ou sóis contendo as nanopartículass. Nanopartículas ou nanofios de metais nobres exibem fortes bandas de absorção no regime ultravioleta–luz visível que não estão presentes no metal a granel. Este extraordinário aumento de absorção foi explorado para aumentar a absorção de luz em células fotovoltaicas, depositando nanopartículas metálicas na superfície celular. A energia (cor) desta absorção difere quando a luz é polarizada ao longo ou perpendicularmente ao nanofio. Mudanças nesta ressonância devido a alterações no índice local de refração após a adsorção às nanopartículas também podem ser usadas para detectar biopolímeros como DNA ou proteínas. Técnicas complementares relacionadas incluem ressonância de guia de ondas de plasmon, microbalança de cristal de quartzo (QCM), transmissão óptica extraordinária e interferometria de dupla polarização.