Resonancia de plasmones superficiales

Resonancia de plasmón superficial ()SPR) es un fenómeno que ocurre donde los electrones en una lámina metálica delgada se excitan por la luz que se dirige a la hoja con un ángulo particular de incidencia, y luego viajan paralelos a la hoja. Asumiendo una longitud de onda de fuente de luz constante y que la chapa de metal es delgada, el ángulo de incidencia que activa el SPR está relacionado con el índice refractivo del material e incluso un pequeño cambio en el índice refractivo hará que el SPR no se observe. Esto hace que el SPR sea una posible técnica para detectar sustancias particulares (análisis) y biosensores SPR se hayan desarrollado para detectar varios biomarcadores importantes.

Explicación

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

Para describir la existencia y las propiedades de los polaritones de 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 materiales' La "función dieléctrica" es la permitividad compleja. Para que existan los términos que describen el plasmón electrónico de superficie, 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 infrarroja-visible para las interfaces aire/metal y agua/metal (donde la constante dieléctrica real de un metal es negativa y la del aire o el agua es positiva).

Las LSPR (resonancias de plasmones de superficie localizadas) son oscilaciones colectivas de carga de electrones en nanopartículas metálicas que se excitan con la luz. Exhiben una amplitud de campo cercano mejorada en la longitud de onda de resonancia. Este campo está altamente localizado en la nanopartícula y decae rápidamente lejos de la interfaz nanopartícula/dieléctrico hacia el fondo dieléctrico, aunque la resonancia también mejora la dispersión del campo lejano por la partícula. La mejora de la intensidad de la luz es un aspecto muy importante de los LSPR y la localización significa que el LSPR tiene una resolución espacial (sublongitud de onda) muy alta, 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 plasmón superficial de manera resonante, se puede utilizar bombardeo de electrones o haz de luz incidente (los visibles y los infrarrojos son típicos). El haz entrante tiene que igualar su impulso al del plasmón. En el caso de la luz polarizada p (la polarización se produce 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 determinada y ángulo. La luz polarizada S (la polarización se produce perpendicular al plano de incidencia) no puede excitar los plasmones electrónicos de superficie. Los plasmones de superficie electrónicos y magnéticos obedecen a la siguiente relación de dispersión:

k()⋅ ⋅ )=⋅ ⋅ cε ε 1ε ε 2μ μ 1μ μ 2ε ε 1μ μ 1+ε ε 2μ μ 2{displaystyle k(omega)={frac ################################################################################################################################################################################################################################################################ {fnMicroc {varepsilon} _{1}varepsilon ¿Qué? ¿Qué? ################################################################################################################################################################################################################################################################ _{1}+varepsilon ¿Qué? - Sí.

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

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

Al usar la luz para excitar las ondas SP, hay dos configuraciones que son 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 de metal delgada (por ejemplo de oro) se coloca lo suficientemente cerca de la pared de 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 Kretschmann (también conocida como KRETSCHMANN - CONFIGURACIÓN RAYER ), la película de metal se evapora en 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 exterior de la película. Esta configuración se utiliza en la mayoría de las aplicaciones prácticas.

Spr emisión

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

Implementaciones analíticas

La resonancia de plasmón superficial se puede implementar en instrumentación analítica. Los instrumentos SPR constan de una fuente de luz, un esquema de entrada, un prisma con interfaz de analito, un detector y una computadora.

Detectores

Los detectores utilizados en resonancia de plasmón superficial convierten los fotones de luz reflejados por la película metálica en una señal eléctrica. Se puede utilizar un detector de detección de posición (PSD) o un dispositivo de carga acoplada (CCD) para funcionar como detectores.

Aplicaciones

Esquema para un sensor que utiliza la resonancia de plasmón superficial

Los plasmones de superficie se han utilizado para mejorar la sensibilidad de la superficie de varias mediciones espectroscópicas, incluida la fluorescencia, la dispersión Raman y la generación de segundos armónicos. En su forma más simple, las mediciones de reflectividad SPR se pueden utilizar 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, cambiando las condiciones de resonancia de las ondas del plasmón superficial. El mismo principio se aprovecha en la plataforma competitiva recientemente desarrollada basada en multicapas dieléctricas sin pérdidas (DBR), que soportan ondas electromagnéticas superficiales con resonancias más nítidas (ondas superficiales de Bloch).

Si la superficie tiene un patrón con diferentes biopolímeros, utilizando ópticas y sensores de imágenes adecuados (es decir, una cámara), la técnica se puede extender a la resonancia de plasmones de superficie (SPRI). Este método proporciona un alto contraste de las imágenes en función de la cantidad de moléculas adsorbidas, algo similar a la microscopía de ángulo de Brewster (esta última se usa más comúnmente junto con una cubeta de Langmuir-Blodgett).

En el caso de las nanopartículas, las oscilaciones localizadas del plasmón superficial pueden dar lugar a 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 células fotovoltaicas mediante el depósito de nanopartículas metálicas en la superficie de la célula. La energía (color) de esta absorción difiere cuando la luz está polarizada a lo largo o perpendicular al nanocables. Los cambios en esta resonancia debido a cambios en el índice local de refracción tras la adsorción de las nanopartículas también se pueden utilizar para detectar biopolímeros como el ADN o las proteínas. Las técnicas complementarias relacionadas incluyen resonancia de guía de ondas de plasmón, QCM, transmisión óptica extraordinaria e interferometría de doble polarización.

Inmunoensayo SPR

El primer inmunoensayo SPR fue propuesto en 1983 por Liedberg, Nylander y Lundström, entonces del Instituto Tecnológico de Linköping (Suecia). ellos adsorbieron IgG humana en una película de plata de 600 Ångström y utilizó el ensayo para detectar IgG antihumana en una solución acuosa. A diferencia de muchos otros inmunoensayos, como ELISA, un inmunoensayo SPR está libre de etiquetas en el sentido de que no se requiere una molécula marcadora para la detección del analito. Además, las mediciones de SPR se pueden seguir en tiempo real, lo que permite monitorear pasos individuales en eventos de unión secuenciales, particularmente útiles 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 focalización y ruptura de lípidos, monocapa única de grafeno (3,7 Å) depositada por CVD, así como polímeros de micrómetros de espesor.

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 dar como resultado múltiples valores posibles de índice de refracción y espesor. Generalmente sólo una solución está dentro del rango de datos razonable. En la resonancia de plasmón de superficie multiparamétrica, se adquieren dos curvas SPR escaneando una variedad 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.

Aplicaciones novedosas

Debido a la versatilidad de la instrumentación SPR, esta técnica combina bien con otros enfoques, lo que lleva a aplicaciones novedosas en diversos campos, como los estudios biomédicos y ambientales.

Cuando se combinan con la nanotecnología, los biosensores SPR pueden utilizar nanopartículas como portadores de implantes terapéuticos. Por ejemplo, en el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer, se pueden utilizar nanopartículas para administrar moléculas terapéuticas de forma específica. En general, la biodetección SPR está demostrando ventajas sobre otros enfoques en el campo biomédico debido a que esta técnica no tiene etiquetas, tiene costos más bajos, es aplicable en entornos de puntos de atención y es capaz de producir resultados más rápidos para cohortes de investigación más pequeñas.

En el estudio de contaminantes ambientales, la instrumentación SPR se puede utilizar como reemplazo de las técnicas anteriores basadas en cromatografía. La investigación actual sobre la contaminación se basa en la cromatografía para monitorear los aumentos de la contaminación en un ecosistema a lo largo del tiempo. Cuando se utilizó instrumentación SPR con una configuración de prisma de Kretschmann en la detección de clorofeno, un contaminante emergente, se demostró que la SPR tiene niveles de precisión y exactitud similares a las técnicas de cromatografía. Además, la detección SPR supera las técnicas de cromatografía gracias a su análisis sencillo y de alta velocidad.

Ejemplos

Autoensamblaje capa por capa

Una de las primeras aplicaciones comunes de la espectroscopia de resonancia de plasmones de superficie fue la medición del espesor (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 un 'SPR estático' medición.

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

Determinación constante vinculante

SPR se puede utilizar para estudiar la cinética en tiempo real de las interacciones moleculares. La determinación de la afinidad entre dos ligandos implica establecer la constante de disociación de equilibrio, que representa el valor de equilibrio del cociente del producto. Esta constante se puede determinar utilizando parámetros SPR dinámicos, calculados como la tasa de disociación dividida por la tasa de asociación.

KD=kdka{displaystyle K_{rm {}={frac} {k_{text{d}} {k_{text{a}}} {f}} {f}}} {f}}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}} {f}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {

En este proceso, se inmoviliza un ligando en la superficie de dextrano del cristal SPR. A través de un sistema de microflujo, se inyecta una solución con el analito sobre la superficie cubierta por el ligando. La unión del analito al ligando provoca un aumento en la señal SPR (expresada en unidades de respuesta, RU). Después del tiempo de asociación, se introduce una solución sin el analito (normalmente un tampón) en los microfluidos para iniciar la disociación del complejo unido entre el ligando y el analito. A medida que el analito se disocia del ligando, la señal SPR disminuye. A partir de estas tasas de asociación ('on rate', k_a) y disociación (&#39 ;tasa de descuento', k_d), la constante de disociación de equilibrio ('constante de unión&#39 ;, K_D) se puede calcular.

La señal SPR detectada es consecuencia del 'acoplamiento' de la luz incidente con el plasmón superficial de la capa de oro. Esta interacción es particularmente sensible a las características de la capa en la interfaz oro-solución, que suele tener sólo unos pocos nanómetros de espesor. Cuando las sustancias se unen a la superficie, se altera la forma en que se refleja la luz, provocando un cambio en el ángulo de reflexión, que puede medirse como una señal en experimentos SPR. Una aplicación común es medir la cinética de las interacciones anticuerpo-antígeno.

Análisis termodinámico

Dado que 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, típicamente entre 4 y 40 °C, es posible relacionar las constantes de velocidad de asociación y disociación con la activación energía y así obtener parámetros termodinámicos que incluyen entalpía de unión, entropía de unión, Energía libre de Gibbs y capacidad calorífica.

Mapeo de epítopos por pares

Dado que SPR permite la monitorización en tiempo real, los pasos individuales en eventos de unión secuenciales se pueden evaluar minuciosamente al investigar la idoneidad entre anticuerpos en una configuración tipo 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.

Innovaciones

Resonancia de plasmón magnético

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

Grafeno

Se ha demostrado que colocar capas de grafeno sobre oro mejora el rendimiento del sensor SPR. Su alta conductividad eléctrica aumenta la sensibilidad de detección. La gran superficie del grafeno también facilita la inmovilización de biomoléculas mientras que su bajo índice de refracción minimiza su interferencia. Mejorar la sensibilidad SPR mediante la incorporación de grafeno con otros materiales amplía el potencial de los sensores SPR, haciéndolos prácticos en una gama más amplia de aplicaciones. Por ejemplo, la sensibilidad mejorada del grafeno se puede utilizar junto con un sensor SPR de plata, lo que proporciona una alternativa rentable para medir los niveles de glucosa en la orina.

También se ha demostrado que el grafeno mejora la resistencia de los sensores SPR al recocido a altas temperaturas de hasta 500 °C.

SPR de fibra óptica

Los avances recientes en la tecnología SPR han dado lugar a formatos novedosos que aumentan el alcance y la aplicabilidad de la detección SPR. La SPR de fibra óptica implica la integración de sensores SPR en los extremos de las fibras ópticas, lo que permite el acoplamiento directo de la luz con los plasmones de la superficie a medida que los analitos pasan a través de un núcleo SPR hueco. Este formato ofrece una sensibilidad mejorada y permite el desarrollo de dispositivos de detección compactos, lo que lo hace particularmente valioso para aplicaciones que requieren detección remota en el campo. También ofrece una mayor superficie para que los analitos se unan al revestimiento interno de la fibra óptica.