Ressonância de plasmão de superfície - Surface plasmon resonance

Ressonância de plasmão de superfície (SPR).

A ressonância plasmônica de superfície ( SPR ) é a oscilação ressonante de elétrons de condução na interface entre o material de permissividade negativa e positiva estimulada pela luz incidente. SPR é a base de muitas ferramentas padrão para medir a adsorção de material em superfícies planas de metal (geralmente ouro ou prata) ou na superfície de nanopartículas de metal . É o princípio fundamental por trás de muitas aplicações de biossensores baseados em cores , diferentes sensores lab-on-a-chip e fotossíntese de diatomáceas.

Explicação

O polariton de plasma de superfície é uma onda de superfície eletromagnética não radiativa que se propaga em uma direção paralela à permissividade negativa / interface de 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 dessa fronteira, como a adsorção de moléculas à superfície condutora.

Para descrever a existência e as propriedades dos polaritons de plasmon 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 quantidade, doravante referida como a " função dielétrica " dos materiais , é a permissividade complexa . Para que os termos que descrevem o plasmon de superfície eletrônico existam, a parte real da constante dielétrica do condutor deve ser negativa e sua magnitude deve ser maior que a do dielétrico. Essa condição é atendida na região do comprimento de onda infravermelho-visível para as interfaces ar / metal e água / metal (onde a constante dielétrica real de um metal é negativa e a do ar ou água é positiva).

LSPRs ( ressonâncias de plasmon de superfície localizada ) são oscilações coletivas de carga de elétrons em nanopartículas metálicas que são excitadas pela luz. Eles 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 muito alta (comprimento de sub-onda), limitada apenas pelo tamanho das nanopartículas. Por causa da amplitude de campo aprimorada, os efeitos que dependem da amplitude, como o efeito magneto-óptico, também são aprimorados por LSPRs.

Implementações

Configuração otto
Configuração Kretschmann

A fim de excitar polaritons de plasmon de superfície de forma ressonante, pode-se usar bombardeio de elétrons ou feixe de luz incidente (visível e infravermelho são típicos). O feixe de entrada deve coincidir seu momento com o do plasmon. No caso da luz p-polarizada (a polarização ocorre paralela 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. A luz S-polarizada (a polarização ocorre perpendicularmente ao plano de incidência) não pode excitar os plasmons de superfície eletrônicos. Plasmões de superfície eletrônicos e magnéticos obedecem à seguinte relação de dispersão :

onde k ( ) é o vetor de onda, é a permissividade relativa e é a permeabilidade relativa do material (1: o bloco de vidro, 2: o filme de metal), enquanto é a frequência angular e é a velocidade da luz no vácuo.

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

Ao usar a luz para excitar as 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 de metal é evaporado no bloco de vidro. A luz ilumina novamente o bloco de vidro e uma onda evanescente penetra através do filme de metal. Os plasmons estão excitados no lado externo do filme. Esta configuração é usada na maioria das aplicações práticas.

Emissão SPR

Quando a onda de plasma de superfície interage com uma partícula ou irregularidade local, como uma superfície rugosa , parte da energia pode ser reemitida como luz. Essa luz emitida pode ser detectada atrás do filme de metal de várias direções.

Formulários

Esquema para um sensor que usa ressonância de plasma de superfície

Plasmões de superfície têm sido usados ​​para aumentar a sensibilidade de superfície de várias medições espectroscópicas, incluindo fluorescência , espalhamento Raman e geração de segundo harmônico . No entanto, em sua forma mais simples, as medidas de refletividade SPR podem ser usadas para detectar adsorção molecular, como polímeros, DNA ou proteínas, etc. Tecnicamente, é comum medir o ângulo de reflexão mínimo (ângulo de absorção máxima). Este ângulo muda na ordem de 0,1 ° durante a adsorção de filme fino (espessura de cerca de nm). (Veja também os Exemplos.) Em outros casos, as mudanças no comprimento de onda de absorção são seguidas. O mecanismo de detecção é baseado no fato de que as moléculas adsorventes causam mudanças no índice de refração local, alterando as condições de ressonância das ondas plasmônicas de superfície. O mesmo princípio é explorado na plataforma competitiva desenvolvida recentemente com base 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 biopolímeros diferentes, usando óptica e sensores de imagem adequados (ou seja, uma câmera), a técnica pode ser estendida para imagem por ressonância de plasma de superfície (SPRI). Este método fornece um alto contraste das imagens com base na quantidade adsorvida de moléculas, algo semelhante à microscopia de ângulo de Brewster (esta última é mais comumente usada junto com uma calha de Langmuir – Blodgett ).

Para nanopartículas, oscilações localizadas de superfície plasmônica podem dar origem às cores intensas de suspensões ou sóis contendo as nanopartículas . Nanopartículas ou nanofios de metais nobres exibem bandas de absorção fortes no regime de luz 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 de metal na superfície da célula. A energia (cor) dessa absorção difere quando a luz é polarizada ao longo ou perpendicular ao nanofio. Mudanças nesta ressonância devido a mudanças 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 onda de plasmon, QCM , transmissão óptica extraordinária e interferometria de polarização dupla .

Imunoensaio SPR

O primeiro imunoensaio SPR foi proposto em 1983 por Liedberg, Nylander e Lundström, então do Linköping Institute of Technology (Suécia). Eles adsorveram IgG humana em um filme de prata de 600 angstrom e usaram o ensaio para detectar IgG anti-humana em solução aquosa. Ao contrário de muitos outros imunoensaios, como ELISA , um imunoensaio SPR é livre de marcador, uma vez que uma molécula de marcador não é necessária para a detecção do analito. Além disso, as medições em SPR podem ser seguidas em tempo real, permitindo o monitoramento de etapas individuais em eventos de ligação sequenciais, particularmente úteis na avaliação de, por exemplo, complexos de sanduíche.

Caracterização do material

A ressonância de plasmon de superfície multiparamétrica , uma configuração especial de SPR, pode ser usada para caracterizar camadas e pilhas de camadas. Além da cinética de ligação, o MP-SPR também pode fornecer informações sobre mudanças estruturais em termos de espessura real da camada e índice de refração. MP-SPR foi aplicado com sucesso em medições de direcionamento e ruptura de lipídios, monocamada única de grafeno depositada por CVD (3,7Å), bem como polímeros com micrômetro de espessura.

Interpretação de dados

A interpretação de dados mais comum é baseada nas fórmulas de Fresnel , que tratam os filmes finos formados como camadas dielétricas contínuas e infinitas. Esta interpretação pode resultar em vários possíveis índices de refração e valores de espessura. No entanto, geralmente apenas uma solução está dentro do intervalo de dados razoável. Na ressonância de plasmon de superfície multi-paramétrica , duas curvas SPR são adquiridas pela varredura de uma gama de ângulos em dois comprimentos de onda diferentes, o que resulta em uma solução única para espessura e índice de refração.

Plasmões de partículas de metal são geralmente modelados usando a teoria de espalhamento de Mie .

Em muitos casos, nenhum modelo detalhado é aplicado, mas os sensores são calibrados para a aplicação específica e usados ​​com interpolação dentro da curva de calibração.

Exemplos

Auto-montagem camada por camada

Curvas SPR medidas durante a adsorção de um polieletrólito e, em seguida, um filme auto-montado de argila mineral em um sensor de ouro fino (ca. 38 nanômetros).

Uma das primeiras aplicações comuns da espectroscopia de ressonância de plasmon de superfície foi a medição da espessura (e índice de refração) de nanofilmes automontados adsorvidos em substratos de ouro. As curvas de ressonância mudam para ângulos mais altos conforme a espessura do filme adsorvido aumenta. Este exemplo é uma medição 'SPR estática'.

Quando a observação em velocidade mais alta é desejada, pode-se selecionar um ângulo logo abaixo do ponto de ressonância (o ângulo de refletância mínima) e medir as mudanças de refletividade nesse ponto. Esta é a chamada medição 'SPR dinâmica'. A interpretação dos dados assume que a estrutura do filme não muda significativamente durante a medição.

Determinação constante obrigatória

Sinal de associação e dissociação
Exemplo de saída da Biacore

Quando a afinidade de dois ligantes deve ser determinada, a constante de dissociação de equilíbrio deve ser determinada. É o valor de equilíbrio para o quociente do produto. Este valor também pode ser encontrado usando os parâmetros SPR dinâmicos e, como em qualquer reação química, é a taxa de dissociação dividida pela taxa de associação.

Para isso, um ligante isca é imobilizado na superfície de dextrana do cristal SPR. Por meio de um sistema de microfluxo , uma solução com o analito da presa é injetada sobre a camada de isca. À medida que o analito da presa se liga ao ligante da isca, um aumento no sinal SPR (expresso em unidades de resposta, RU) é observado. Após o tempo de associação desejado, uma solução sem o analito de presa (geralmente o tampão) é injetada na microfluídica que dissocia o complexo ligado entre o ligante de isca e o analito de presa. Agora, à medida que o analito da presa se dissocia do ligante da isca, é observada uma diminuição no sinal SPR (expresso em unidades de ressonância, RU). A partir dessas associações ('taxa de ativação', k a ) e taxas de dissociação ('taxa de desativação', k d ), a constante de dissociação de equilíbrio ('constante de ligação', K D ) pode ser calculada.

O sinal SPR real pode ser explicado pelo 'acoplamento' eletromagnético da luz incidente com o plasmon de superfície da camada de ouro. Este plasmon pode ser influenciado pela camada de apenas alguns nanômetros na interface ouro-solução, ou seja, a proteína da isca e possivelmente a proteína da presa. A ligação faz com que o ângulo de reflexão mude;

Análise termodinâmica

Como biossensores SPR facilitam medições em diferentes temperaturas, análises termodinâmicas podem ser realizadas para obter um melhor entendimento da interação estudada. Ao realizar medições em diferentes temperaturas, normalmente entre 4 e 40 ° C, é possível relacionar as constantes de taxa de associação e dissociação com a energia de ativação e, assim, obter parâmetros termodinâmicos, incluindo entalpia de ligação, entropia de ligação, energia livre de Gibbs e capacidade térmica.

Mapeamento de epítopos em pares

Como o SPR permite o monitoramento em tempo real, as etapas individuais em eventos de ligação sequencial podem ser completamente avaliadas ao investigar a adequação entre anticorpos em uma configuração de sanduíche. Além disso, permite o mapeamento de epítopos uma vez que anticorpos de epítopos sobrepostos serão associados a um sinal atenuado em comparação com aqueles capazes de interagir simultaneamente.

Ressonância magnética de plasmon

Recentemente, tem havido interesse em plasmons de superfície magnética. Estes requerem materiais com grande permeabilidade magnética negativa, uma propriedade que só recentemente foi disponibilizada com a construção de metamateriais .

Veja também

Referências

Leitura adicional