Resonancia de plasmones

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resonancia de plasmones
Clasificación: Resonancia de plasmón localizada [1]
Grupo: plasmón , resonancia

La resonancia de plasmón ( inglés  resonancia de plasmón ) son las oscilaciones de resonancia de los electrones cuando un plasmón superficial es excitado a su frecuencia resonante por una onda electromagnética externa (en el caso de estructuras metálicas a nanoescala se denomina resonancia de plasmón localizada ) [1] . Este efecto es la base de muchas herramientas para medir la adsorción de un material sobre superficies metálicas, que se caracterizan por el fenómeno de resonancia de plasmones superficiales (SPR; Surface plasmon resonance - SPR ) [2] .

Historia

Desde la primera observación de Wood en 1902, el fenómeno físico de SPR ha crecido exponencialmente en popularidad. El científico notó bandas oscuras y claras anómalas en la luz reflejada [3] [4] [5] . Lord Rayleigh pudo interpretar físicamente esta anomalía, pero la explicación de este fenómeno seguía siendo imposible [6] . En 1968, Otto y Kretschmann informaron sobre el fenómeno de la resonancia de plasmones superficiales [7] .

En 1983, SPR se utilizó por primera vez para el diagnóstico SPR de biomoléculas [8] . Y en 2006, apareció el primer producto comercial: el dispositivo Biacore para estudiar interacciones biomoleculares [9] .

Desde entonces, el sondeo PPR ha recibido una atención cada vez mayor por parte de la comunidad científica. PPR está cobrando impulso rápidamente en el campo del análisis cuantitativo en el laboratorio clínico para inmunoensayo enzimático, detección de mutaciones, monitoreo de fármacos terapéuticos (TDM) y más. En el período comprendido entre 2005 y 2015, los diagnósticos SPR pasaron de los prismas Kretschmann convencionales a una nueva generación de sensores de fibra con estructuras micro o nano para mejorar SPR [10] .

Plasmón

Una condición necesaria para la generación de plasmones superficiales es la presencia de electrones libres en la interfase entre dos materiales. En la práctica, esto siempre significa que uno de estos materiales es un metal (generalmente oro), donde hay muchos electrones libres. Esta condición se deriva naturalmente del análisis de la interfaz metal/dieléctrico utilizando la ecuación de Maxwell . A partir de este análisis, surge la imagen de que los plasmones de superficie pueden considerarse como ondas de densidad de electrones que se propagan y surgen en la interfaz entre un metal y un dieléctrico [11] .

Explicación

Una técnica que permite el uso de plasmones de superficie en óptica se basa en el uso de la reflexión interna total . Con la reflexión interna total, una onda electromagnética se propaga a lo largo de la superficie reflejando la luz, cuya velocidad depende del ángulo de incidencia. Si, en un cierto ángulo de incidencia, la velocidad de esta onda coincide con la velocidad de un plasmón superficial en la superficie metálica, entonces se violarán las condiciones para la reflexión interna total, y la reflexión dejará de ser completa, y una superficie surgirá la resonancia de plasmones [1] .

La constante de propagación de una onda de plasmón superficial que se propaga en la interfaz entre un dieléctrico y un metal está determinada por la siguiente expresión:

donde k denota el número de onda en el espacio libre,  es la permitividad del metal y  es el índice de refracción del dieléctrico [12] .

De la expresión se sigue que el oro, la plata y varios otros metales satisfacen la condición .

En los sistemas metálicos a nanoescala, se modifican las excitaciones electrónicas colectivas. La excitación electrónica colectiva de nanopartículas metálicas, cuyo tamaño es más pequeño que la longitud de onda de la radiación electromagnética en el medio ambiente -un plasmón superficial localizado- oscila a una frecuencia que es √3 veces menor que la frecuencia del plasmón a granel, mientras que la frecuencia del plasmón superficial es aproximadamente √2 veces menor que la frecuencia del plasmón a granel. Cuando la frecuencia del campo externo coincide con la frecuencia del plasmón superficial localizado, se produce una resonancia, lo que provoca un fuerte aumento del campo en la superficie de la partícula y un aumento de la sección eficaz de extinción [1] .

Las propiedades de los plasmones localizados dependen críticamente de la forma de las nanopartículas, lo que hace posible ajustar el sistema de sus resonancias para una interacción efectiva con la luz o sistemas cuánticos elementales [1] .

Aplicaciones

Dado que la longitud de propagación de las ondas de plasmón de superficie (SPW) es muy limitada, la acción sensible se lleva a cabo directamente en la región donde la SPW es excitada por una onda óptica. El sistema óptico usado para excitar el SPR se usa simultáneamente para medir el SPR. Por lo tanto, la sensibilidad de los sensores SPR no puede beneficiarse de una mayor duración de la interacción del sensor, como suele ocurrir en los sensores que utilizan modos controlados de guías de ondas dieléctricas . La constante de propagación de PPW es siempre más alta que la constante de propagación de una onda óptica en un dieléctrico y, por lo tanto, la PPW no puede ser excitada directamente por una onda óptica incidente en una interfaz dieléctrica-metal plana. Por lo tanto, la cantidad de movimiento de la onda óptica incidente debe incrementarse para igualar la cantidad de movimiento del APW. Este cambio de impulso generalmente se logra mediante la reflexión total atenuada en los acopladores de prisma y las guías de ondas ópticas, así como la difracción en la superficie de las rejillas de difracción.

Los sensores SPR suelen utilizar los siguientes enfoques básicos de detección:

1. Medida de la intensidad de una onda óptica cercana a la resonancia [13] [14] .

2. Medición del pulso resonante de una onda óptica, incluida la medición de onda angular [15] [16] y SPR [17] [18] [19] .

Inmunoensayo SPR (SPR)

El primer inmunoensayo enzimático para SPR fue propuesto en 1983 por Lidberg, Nylander y Lundström, que entonces trabajaban en el Instituto Tecnológico de Linköping (Suecia) [13] . Adsorbieron IgG humana en una película de plata de 600 angstrom y usaron el ensayo para detectar anticuerpos IgG antihumanos en solución acuosa. A diferencia de muchos otros inmunoensayos como ELISA, el inmunoensayo SPR no contiene marcadores porque no se requiere una molécula marcadora para detectar el analito [20] . Además, las mediciones de SPR se pueden rastrear en tiempo real, lo que le permite rastrear pasos individuales en eventos de enlace sucesivos, lo que es especialmente útil al evaluar complejos tipo sándwich, por ejemplo.

Interpretación de datos

La interpretación más común de los datos se basa en las fórmulas de Fresnel, que tratan las películas delgadas formadas como infinitas capas dieléctricas continuas. Esta interpretación puede dar lugar a muchos valores posibles de índice de refracción y espesor. Sin embargo, generalmente solo una solución está dentro de un rango de datos razonable. En la resonancia de plasmones superficiales multiparamétricos, se obtienen dos curvas SPR escaneando un rango de ángulos en dos longitudes de onda diferentes, lo que da como resultado una solución única tanto para el espesor como para el índice de refracción.

Los plasmones de partículas metálicas se modelan comúnmente utilizando la teoría de dispersión de Mie.

En muchos casos, no se usan modelos detallados, pero los sensores se calibran para una aplicación particular y se usan interpolados dentro de una curva de calibración.

Características del material

La resonancia de plasmones superficiales multiparámetro, una configuración SPR especial, se puede utilizar para caracterizar capas y pilas de capas. Además de la cinética de unión, MP-SPR también puede proporcionar información sobre cambios estructurales en términos de espesor de capa real e índice de refracción. MP-SPR se ha aplicado con éxito en mediciones de focalización y disrupción de lípidos [21] , grafeno monocapa único depositado por CVD (3,7 Å) [22] y polímeros de un micrómetro de espesor [23] .

Notas

  1. ↑ 1 2 3 4 5 Naimushina Daria Anatolyevna. Resonancia de plasmón, "Diccionario de términos de nanotecnología" . Rosnano . Consultado el 21 de agosto de 2012. Archivado desde el original el 1 de noviembre de 2012.
  2. ↑ MA Ordal, LL Long, RJ Bell, SE Bell, RR Bell. Propiedades ópticas de los metales Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti y W en el infrarrojo e infrarrojo lejano (EN) // Óptica Aplicada. — 1983-04-01. - T. 22 , n. 7 . — S. 1099–1119 . — ISSN 2155-3165 . -doi : 10.1364/ AO.22.001099 . Archivado desde el original el 28 de junio de 2020.
  3. ↑ Andreas Otto. Excitación de ondas de plasma superficiales no radiativas en plata mediante el método de reflexión total frustrada  //  Zeitschrift für Physik A Hadrons and nuclei. - 1968-08-01. — vol. 216 , edición. 4 . - pág. 398-410 . — ISSN 0939-7922 . -doi : 10.1007/ BF01391532 .
  4. ↑ RW Madera. XLIII. Sobre un caso notable de distribución desigual de la luz en un espectro de rejilla de difracción  // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1902-09-01. - T. 4 , núm. 21 . — S. 396–402 . — ISSN 1941-5982 . -doi : 10.1080 / 14786440209462857 .
  5. ↑ RW Madera. XXVIII. Rejillas de difracción con forma de surco controlada y distribución anormal de intensidad  //  The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1912-02. — vol. 23 , edición. 134 . — pág. 310–317 . - ISSN 1941-5990 1941-5982, 1941-5990 . -doi : 10.1080 / 14786440208637224 .
  6. ↑ Lord Rayleigh OM Pres RS XII. Sobre nuestra percepción de la dirección del sonido  // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — 1907-02-01. - T. 13 , n. 74 . — Pág. 214–232 . — ISSN 1941-5982 . doi : 10.1080 / 14786440709463595 .
  7. ↑ Karl Zilles, Este Armstrong, Axel Schleicher, Hans-Joachim Kretschmann. El patrón humano de girificación en la corteza cerebral  (inglés)  // Anatomía y Embriología. - 1988-11-01. — vol. 179 , edición. 2 . - pág. 173-179 . — ISSN 1432-0568 . -doi : 10.1007/ BF00304699 .
  8. ↑ Matthew Fivash, Eric M. Towler, Robert J. Fisher. BIAcore para interacción macromolecular  (inglés)  // Opinión actual en biotecnología. - 1998-02-01. — vol. 9 , edición. 1 . — pág. 97–101 . — ISSN 0958-1669 . - doi : 10.1016/S0958-1669(98)80091-8 .
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  22. ↑ Henri Jussila, He Yang, Niko Granqvist, Zhipei Sun. Resonancia de plasmones superficiales para la caracterización de películas de grafeno de capa atómica de área grande (EN) // Optica. — 2016-02-20. - T. 3 , núm. 2 . — S. 151–158 . — ISSN 2334-2536 . - doi : 10.1364/OPTICA.3.000151 . Archivado el 3 de mayo de 2020.
  23. ↑ Kristiina Korhonen, Niko Granqvist, Jarkko Ketolainen, Riikka Laitinen. Supervisión de la cinética de liberación de fármacos a partir de películas delgadas de polímero mediante resonancia de plasmón de superficie multiparamétrica  (inglés)  // International Journal of Pharmaceutics. — 2015-10-15. — vol. 494 , edición. 1 . — pág. 531–536 . — ISSN 0378-5173 . -doi : 10.1016/ j.ijpharm.2015.08.071 .

Véase también

Literatura