Género (biología)
Género es un rango taxonómico utilizado en la clasificación biológica de organismos vivos y fósiles, así como virus. En la jerarquía de la... (leer más)
Resonancia de plasmón superficial
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La resonancia de plasmón superficial es la oscilación resonante de los electrones de conducción en la interfaz entre el material de permitividad negativa y positiva estimulada 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 basados en colores, diferentes sensores de laboratorio en un chip y fotosíntesis de diatomeas.
Explicación
El polaritón de plasmón superficial es una onda superficial electromagnética no radiativa que se propaga en una dirección paralela a la interfaz de permitividad negativa/material dieléctrico. Dado que la onda está en el límite del conductor y el medio externo (aire, agua o vacío, por ejemplo), 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 de plasmones superficiales, se puede elegir entre varios modelos (teoría cuántica, modelo de 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 superficial electrónico, la parte real de la constante dieléctrica del conductor debe ser negativa y su magnitud debe ser mayor que la del dieléctrico.
Las LSPR (resonancias de plasmones superficiales localizadas) son oscilaciones colectivas de carga de electrones en nanopartículas metálicas que son excitadas por la luz. Exhiben una amplitud de campo cercano mejorada en la longitud de onda de resonancia. Este campo está muy localizado en la nanopartícula y decae rápidamente alejándose de la interfaz nanopartícula/dieléctrica hacia el fondo dieléctrico, aunque la dispersión de campo lejano de la partícula también se ve reforzada por la resonancia. La mejora de la intensidad de la luz es un aspecto muy importante de las LSPR y la localización significa que la LSPR tiene una resolución espacial muy alta (sublongitud de onda), limitada únicamente 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 magnetoóptico.
Implementaciones
Para excitar los polaritones de plasmones superficiales de una manera resonante, se puede utilizar un bombardeo de electrones o un haz de luz incidente (son típicos el visible y el infrarrojo). El rayo entrante tiene que igualar su impulso al del plasmón. En el caso de la luz polarizada p (la polarización ocurre paralela al plano de incidencia), esto es posible al pasar la luz a través de un bloque de vidrio para aumentar el número de onda (y el momento) y lograr la resonancia en una longitud de onda dada y ángulo. La luz polarizada en S (la polarización ocurre perpendicular al plano de incidencia) no puede excitar los plasmones superficiales electrónicos. Los plasmones superficiales electrónicos y magnéticos obedecen a la siguiente relación de dispersión:
donde k(
Los metales típicos que soportan los plasmones superficiales son la plata y el oro, pero también se han utilizado metales como el cobre, el titanio o el cromo.
Cuando se usa luz para excitar ondas SP, existen dos configuraciones bien conocidas. En la configuración Otto, la luz ilumina la pared de un bloque de vidrio, típicamente un prisma, y se refleja totalmente internamente. Una película delgada 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 (también conocida como configuración de Kretschmann-Raether), la película de metal se evapora sobre el bloque de vidrio. La luz vuelve a iluminar el bloque de vidrio y una onda evanescente penetra a través de la película de metal. Los plasmones se excitan en el lado exterior de la película. Esta configuración se utiliza en la mayoría de las aplicaciones prácticas.
Emisión SPR
Cuando la onda de plasmón de la superficie interactúa con una partícula o irregularidad local, como una superficie rugosa, parte de la energía puede volver a emitirse como luz. Esta luz emitida se puede detectar detrás de la película de metal desde varias direcciones.
Aplicaciones
Los plasmones de superficie se han utilizado para mejorar la sensibilidad superficial de varias mediciones espectroscópicas, incluidas la fluorescencia, la dispersión Raman y la generación de segundo armónico. Sin embargo, en su forma más simple, las medidas de reflectividad SPR pueden usarse para detectar 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 una 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 provocan cambios en el índice de refracción local, modificando las condiciones de resonancia de las ondas plasmónicas superficiales. El mismo principio se explota en la plataforma competitiva recientemente desarrollada basada en multicapas dieléctricas sin pérdidas (DBR), que soportan ondas electromagnéticas superficiales con resonancias más agudas (ondas superficiales Bloch).
Si la superficie está modelada con diferentes biopolímeros, utilizando sensores de imagen y óptica adecuados (es decir, una cámara), la técnica puede extenderse a la imagen de resonancia de plasmones de superficie (SPRI). Este método proporciona un alto contraste de las imágenes basado en la cantidad de moléculas adsorbidas, algo similar a la microscopía de ángulo de Brewster (esta última se usa más comúnmente junto con un canal de Langmuir-Blodgett).
Para las nanopartículas, las oscilaciones de plasmones superficiales localizadas pueden dar lugar a los colores intensos de las 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 se ha aprovechado para aumentar la absorción de luz en las células fotovoltaicas mediante el depósito de nanopartículas metálicas en la superficie de la célula. La energía (color) de esta absorción difiere cuando la luz se polariza a lo largo o perpendicular al nanocable.Los cambios en esta resonancia debidos a cambios en el índice de refracción local 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 Tecnológico de Linköping (Suecia). Adsorbieron IgG humana en una película de plata de 600 Ångström y usaron el ensayo para detectar IgG antihumana en solución de agua. A diferencia de muchos otros inmunoensayos, como ELISA, un inmunoensayo SPR está libre de marcadores, ya que no se requiere una molécula marcadora para la detección del analito. Además, las mediciones en SPR se pueden seguir en tiempo real, lo que permite el seguimiento de pasos individuales en eventos de unión secuencial, particularmente útil en la evaluación de, por ejemplo, complejos tipo sándwich.
Caracterización de materiales
La resonancia de plasmón 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 real de la capa e índice de refracción. MP-SPR se ha aplicado con éxito en mediciones de ruptura y selección de lípidos, monocapa de grafeno (3,7 Å) depositada por CVD, 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 infinitas y continuas. Esta interpretación puede resultar en 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 multiparamétrica de plasmones superficiales, se adquieren 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 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 utilizan con interpolación dentro de la curva de calibración.
Ejemplos
Autoensamblaje capa por capa
Una de las primeras aplicaciones comunes de la espectroscopia de resonancia de plasmones superficiales fue la medición del grosor (y el índice de refracción) de nanopelículas autoensambladas adsorbidas sobre sustratos de oro. Las curvas de resonancia cambian a ángulos más altos a medida que aumenta el espesor de la película adsorbida. Este ejemplo es una medición de 'SPR estática'.
Cuando se desea una observación de mayor velocidad, 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 llamada medición 'dinámica SPR'. La interpretación de los datos asume que la estructura de la película no cambia significativamente durante la medición.
Determinación constante vinculante
Cuando se tiene que determinar la afinidad de dos ligandos, se debe determinar la constante de disociación de equilibrio. Es el valor de equilibrio del cociente del producto. Este valor también se puede encontrar utilizando los parámetros SPR dinámicos y, como en cualquier reacción química, es la tasa de disociación dividida por la tasa de asociación.
Para ello, se inmoviliza un ligando cebo sobre la superficie de dextrano del cristal SPR. A través de un sistema de microflujo, se inyecta una solución con el analito presa sobre la capa de cebo. A medida que el analito presa se une al ligando del 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 la presa (generalmente el tampón) en los microfluidos que disocian el complejo unido entre el ligando del cebo y el analito de la presa. Ahora, a medida que el analito de la presa se disocia del ligando del cebo, se observa una disminución en la señal SPR (expresada en unidades de resonancia, RU). A partir de estas tasas de asociación ("on rate", k a) y disociación ("off rate", k d), la constante de disociación de equilibrio ("constante de unión",K D) se puede calcular.
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 unos pocos nanómetros a lo largo de la interfase de la solución de oro, es decir, la proteína cebo y posiblemente la proteína presa. La unión hace que cambie el ángulo de reflexión;
Análisis termodinámico
Como los biosensores SPR facilitan las mediciones a diferentes temperaturas, se pueden realizar análisis termodinámicos para obtener una mejor comprensión de la interacción estudiada. Al realizar mediciones a diferentes temperaturas, normalmente 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 la entalpía de enlace, la entropía de enlace, la energía libre de Gibbs y la capacidad calorífica.
Mapeo de epítopos por pares
Como la SPR permite la monitorización en tiempo real, los pasos individuales en los eventos de unión secuencial pueden evaluarse minuciosamente cuando se investiga la idoneidad entre los anticuerpos en una configuración de sándwich. 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 interés en los plasmones de superficie magnética. Estos requieren materiales con una gran permeabilidad magnética negativa, una propiedad que solo recientemente se ha puesto a disposición con la construcción de metamateriales.