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Resonancia de plasmones superficiales

Resonancia de plasmones superficiales

La resonancia de plasmón superficial ( SPR ) es la oscilación resonante de los electrones de conducción en la interfaz entre el material de permitividad positivo y negativo estimulado por la luz incidente. SPR es la base de muchas herramientas estándar para medir la adsorción de material en superficies planas de metal (típicamente oro o plata) o en la superficie de nanopartículas metálicas. Es el principio fundamental detrás de muchas aplicaciones de biosensores basadas en color, diferentes sensores de laboratorio en un chip y fotosíntesis de diatomeas.

Explicación

El polaritón de plasmón superficial es una onda de superficie electromagnética no radiativa que se propaga en una dirección paralela a la interfaz negativa de permitividad / material dieléctrico. Dado que la onda está en el límite del conductor y el medio externo (por ejemplo, aire, agua o vacío), estas oscilaciones son muy sensibles a cualquier cambio de este límite, como la adsorción de moléculas a la superficie conductora.

Para describir la existencia y las propiedades de los polaritones del plasmón superficial, se puede elegir entre varios modelos (teoría cuántica, modelo Drude, etc.). La forma más sencilla de abordar el problema es tratar cada material como un continuo homogéneo, descrito por una permitividad relativa dependiente de la frecuencia entre el medio externo y la superficie. Esta cantidad, en lo sucesivo denominada "función dieléctrica" ​​de los materiales, es la permitividad compleja. Para que existan los términos que describen el plasmón de superficie electrónico, la parte real de la constante dieléctrica del conductor debe ser negativa y su magnitud debe ser mayor que la del dieléctrico. Esta condición se cumple en la región de longitud de onda visible por infrarrojos para las interfaces aire / metal y agua / metal (donde la constante dieléctrica real de un metal es negativa y la del aire o agua es positiva).

Los LSPR (SPR localizados) son oscilaciones colectivas de carga de electrones en nanopartículas metálicas que son excitadas por la luz. Exhiben amplitud de campo cercano mejorada en la longitud de onda de resonancia. Este campo está altamente localizado en la nanopartícula y se desintegra rápidamente lejos de la interfaz nanopartícula / dieléctrico en el fondo dieléctrico, aunque la dispersión también aumenta la dispersión de campo lejano por la partícula. La mejora de la intensidad de la luz es un aspecto muy importante de los LSPR y su localización significa que el LSPR tiene una resolución espacial muy alta (longitud de onda inferior), limitada solo por el tamaño de las nanopartículas. Debido a la amplitud de campo mejorada, los LSPR también mejoran los efectos que dependen de la amplitud, como el efecto magneto-óptico.

Implementaciones

Para excitar los plasmones superficiales de manera resonante, se puede usar bombardeo electrónico o haz de luz incidente (lo típico es visible e infrarrojo). El haz entrante tiene que coincidir con su impulso con el del plasmón. En el caso de la luz p-polarizada (la polarización ocurre paralela al plano de incidencia), esto es posible haciendo pasar la luz a través de un bloque de vidrio para aumentar el número de onda (y el momento), y lograr la resonancia a una longitud de onda dada y ángulo. La luz S-polarizada (la polarización ocurre perpendicular al plano de incidencia) no puede excitar los plasmones electrónicos de superficie. Los plasmones electrónicos y magnéticos de superficie obedecen la siguiente relación de dispersión:

k (ω) = ωcε1ε2μ1μ2ε1μ1 + ε2μ2 {\ displaystyle k (\ omega) = {\ frac {\ omega} {c}} {\ sqrt {\ frac {\ varepsilon _ {1} \ varepsilon _ {2} \ mu _ {1} \ mu _ {2}} {\ varepsilon _ {1} \ mu _ {1} + \ varepsilon _ {2} \ mu _ {2}}}}}

donde k (ω {\ displaystyle \ omega}) es el vector de onda, ϵ {\ displaystyle \ epsilon} es la permitividad relativa, y μ {\ displaystyle \ mu} es la permeabilidad relativa del material (1: el bloque de vidrio, 2: la película de metal), mientras que ω {\ displaystyle \ omega} es la frecuencia angular y c {\ displaystyle {c}} es la velocidad de la luz en el vacío.

Los metales típicos que soportan los plasmones superficiales son plata y oro, pero también se han utilizado metales como el cobre, titanio o cromo.

Cuando se utiliza la luz para excitar las ondas SP, hay dos configuraciones que son bien conocidas. En la configuración de Otto, la luz ilumina la pared de un bloque de vidrio, típicamente un prisma, y ​​se refleja totalmente internamente. Una delgada película de metal (por ejemplo, oro) se coloca lo suficientemente cerca de la pared del prisma para que una onda evanescente pueda interactuar con las ondas de plasma en la superficie y, por lo tanto, excitar los plasmones.

En la configuración de Kretschmann , la película de metal se evapora sobre el bloque de vidrio. La luz nuevamente ilumina el bloque de vidrio, y una onda evanescente penetra a través de la película de metal. Los plasmones están excitados en el lado externo de la película. Esta configuración se utiliza en la mayoría de las aplicaciones prácticas.

Emisión SPR

Cuando la onda de plasmón superficial interactúa con una partícula local o irregularidad, como una superficie rugosa, parte de la energía puede ser reemitida como luz. Esta luz emitida se puede detectar detrás de la película de metal desde varias direcciones.

Aplicaciones

Los plasmones superficiales se han utilizado para mejorar la sensibilidad superficial de varias mediciones espectroscópicas, incluidas la fluorescencia, la dispersión Raman y la segunda generación de armónicos. Sin embargo, en su forma más simple, las mediciones de reflectividad SPR se pueden usar para detectar la adsorción molecular, como polímeros, ADN o proteínas, etc. Técnicamente, es común medir el ángulo de reflexión mínima (ángulo de absorción máxima). Este ángulo cambia en el orden de 0.1 ° durante la adsorción de película delgada (aproximadamente nm de espesor). (Véanse también los ejemplos). En otros casos, se siguen los cambios en la longitud de onda de absorción. El mecanismo de detección se basa en que las moléculas adsorbentes causan cambios en el índice local de refracción, cambiando las condiciones de resonancia de las ondas de plasmón superficial. El mismo principio se explota en la plataforma competitiva recientemente desarrollada basada en multicapas dieléctricas sin pérdidas (DBR), que soportan ondas electromagnéticas de superficie con resonancias más agudas (ondas de superficie de Bloch).

Si la superficie está modelada con diferentes biopolímeros, utilizando ópticas adecuadas y sensores de imágenes (es decir, una cámara), la técnica puede extenderse a imágenes de resonancia de plasmón superficial (SPRI). Este método proporciona un alto contraste de las imágenes en función de la cantidad de moléculas adsorbidas, algo similar a la microscopía angular de Brewster (esta última se usa más comúnmente junto con un canal Langmuir-Blodgett).

Para las nanopartículas, las oscilaciones de plasmones superficiales localizadas pueden dar lugar a los colores intensos de suspensiones o soles que contienen las nanopartículas. Las nanopartículas o nanocables de metales nobles exhiben fuertes bandas de absorción en el régimen de luz ultravioleta visible que no están presentes en el metal a granel. Este extraordinario aumento de absorción ha sido explotado para aumentar la absorción de luz en las células fotovoltaicas depositando nanopartículas metálicas en la superficie celular. La energía (color) de esta absorción difiere cuando la luz se polariza o es perpendicular al nanocable. Los cambios en esta resonancia debido a cambios en el índice local de refracción tras la adsorción a las nanopartículas también se pueden utilizar para detectar biopolímeros como el ADN o las proteínas. Las técnicas complementarias relacionadas incluyen resonancia de guía de onda de plasmón, QCM, transmisión óptica extraordinaria e interferometría de polarización dual.

Inmunoensayo SPR

El primer inmunoensayo SPR fue propuesto en 1983 por Liedberg, Nylander y Lundström, entonces del Instituto de Tecnología de Linköping (Suecia). Adsorbieron IgG humana en una película de plata de 600 angstrom y utilizaron el ensayo para detectar IgG antihumana en solución de agua. A diferencia de muchos otros inmunoensayos, como ELISA, un inmunoensayo SPR no tiene etiqueta, ya que no se requiere una molécula etiqueta para la detección del analito. Además, las mediciones en SPR se pueden seguir en tiempo real, lo que permite la monitorización de pasos individuales en eventos de unión secuenciales particularmente útiles en la evaluación de, por ejemplo, complejos de sándwich.

Caracterización de materiales

La resonancia de plasmones de superficie multiparamétrica, una configuración especial de SPR, 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 verdadero de capa e índice de refracción. MP-SPR se ha aplicado con éxito en mediciones de apuntado y ruptura de lípidos, monocapa de grafeno depositada con CVD (3.7 Å), así como polímeros de espesor micrométrico.

Interpretación de datos

La interpretación de datos más común se basa en las fórmulas de Fresnel, que tratan las películas delgadas formadas como capas dieléctricas continuas infinitas. Esta interpretación puede dar como resultado múltiples valores posibles de índice de refracción y espesor. Sin embargo, generalmente solo una solución está dentro del rango de datos razonable. En la resonancia de plasmones de superficie multiparamétrica, 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 grosor como para el índice de refracción.

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

En muchos casos no se aplican modelos detallados, pero los sensores se calibran para la aplicación específica y se usan con interpolación dentro de la curva de calibración.

Ejemplos

Autoensamblaje capa por capa

Una de las primeras aplicaciones comunes de la espectroscopía de resonancia de plasmón superficial fue la medición del grosor (y el índice de refracción) de nanofilms autoensamblados adsorbidos en sustratos de oro. Las curvas de resonancia cambian a ángulos más altos a medida que aumenta el grosor de la película adsorbida. Este ejemplo es una medición 'SPR estática'.

Cuando se desea una mayor velocidad de observación, se puede seleccionar un ángulo justo debajo del punto de resonancia (el ángulo de reflectancia mínima) y medir los cambios de reflectividad en ese punto. Esta es la medida llamada 'SPR dinámica'. La interpretación de los datos supone que la estructura de la película no cambia significativamente durante la medición.

Determinación constante vinculante

Cuando se debe determinar la afinidad de dos ligandos, se debe determinar la constante de disociación de equilibrio. Es el valor de equilibrio para el cociente del producto. Este valor también se puede encontrar usando los parámetros dinámicos de SPR y, como en cualquier reacción química, es la tasa de disociación dividida por la tasa de asociación.

Para esto, se inmoviliza un ligando de cebo en la superficie de dextrano del cristal SPR. A través de un sistema de microflujo, se inyecta una solución con el analito de presa sobre la capa de cebo. A medida que el analito de presa se une al ligando de cebo, se observa un aumento en la señal SPR (expresada en unidades de respuesta, RU). Después del tiempo de asociación deseado, se inyecta una solución sin el analito de presa (generalmente el tampón) en los microfluídicos que disocian el complejo unido entre el ligando de cebo y el analito de presa. Ahora, cuando el analito de presa se disocia del ligando de cebo, se observa una disminución en la señal SPR (expresada en unidades de resonancia, RU). A partir de estas asociaciones ('tasa de activación', k a) y tasas de disociación ('tasa de desactivación', k d), se puede calcular la constante de disociación de equilibrio ('constante de unión', K D).

La señal SPR real puede explicarse por el "acoplamiento" electromagnético de la luz incidente con el plasmón superficial de la capa de oro. Este plasmón puede verse influenciado por la capa de solo unos pocos nanómetros a través de la interfaz de la solución de oro, es decir, la proteína de cebo y posiblemente la proteína de presa. La unión hace que cambie el ángulo de reflexión;

KD = kdka {\ displaystyle K_ {D} = {\ frac {k _ {\ text {d}}} {k _ {\ text {a}}}}}

Análisis termodinámico.

Como los biosensores SPR facilitan las mediciones a diferentes temperaturas, se puede realizar un análisis termodinámico para obtener una mejor comprensión de la interacción estudiada. Al realizar mediciones a diferentes temperaturas, típicamente entre 4 y 40 ° C, es posible relacionar las constantes de velocidad de asociación y disociación con la energía de activación y, por lo tanto, obtener parámetros termodinámicos que incluyen entalpía de unión, entropía de unión, energía libre de Gibbs y capacidad de calor.

Mapeo de epítopos por pares

Como SPR permite el monitoreo en tiempo real, los pasos individuales en los eventos de unión secuencial se pueden evaluar a fondo cuando se investiga la idoneidad entre los anticuerpos en una configuración sandwich. Además, permite el mapeo de epítopos ya que los anticuerpos de epítopos superpuestos se asociarán con una señal atenuada en comparación con aquellos capaces de interactuar simultáneamente.

Resonancia magnética de plasmones

Recientemente, ha habido un interés en los plasmones de superficie magnética. Estos requieren materiales con gran permeabilidad magnética negativa, una propiedad que recientemente se ha puesto a disposición con la construcción de metamateriales.