Resonancia plasmónica de superficie
Fenómeno físico de la resonancia electrónica.
Resonancia plasmónica de superficie (SPR)

La resonancia de plasmón superficial ( SPR , por sus siglas en inglés) es un fenómeno que ocurre cuando los electrones en una lámina metálica delgada se excitan por la luz que se dirige a la lámina con un ángulo de incidencia particular y luego viajan en paralelo a la lámina. Suponiendo una longitud de onda de fuente de luz constante y que la lámina metálica es delgada, el ángulo de incidencia que desencadena la SPR está relacionado con el índice de refracción del material e incluso un pequeño cambio en el índice de refracción hará que no se observe la SPR. Esto hace que la SPR sea una técnica posible para detectar sustancias particulares ( analitos ) y se han desarrollado biosensores SPR para detectar varios biomarcadores importantes. [1] [2]

Explicación

El polaritón plasmónico superficial es una onda electromagnética superficial no radiativa que se propaga en una dirección paralela a la interfaz entre la permitividad negativa y el 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 la adsorción de moléculas a la superficie conductora. [3]

Para describir la existencia y las propiedades de los polaritones plasmónicos 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 adelante denominada " función dieléctrica " ​​de los materiales, es la permitividad compleja . Para que existan los términos que describen el plasmón electrónico superficial , 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 plasmón superficial localizadas ) son oscilaciones de carga electrónica colectivas en nanopartículas metálicas que son excitadas por la luz. Presentan una amplitud de campo cercano mejorada en la longitud de onda de resonancia. Este campo está altamente localizado en la nanopartícula y se desintegra rápidamente alejándose de la interfaz nanopartícula/dieléctrico hacia el fondo dieléctrico, aunque la dispersión de campo lejano por la partícula también se mejora 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 solo por el tamaño de las nanopartículas. Debido a la amplitud de campo mejorada, los efectos que dependen de la amplitud, como el efecto magnetoóptico, también se mejoran por las LSPR. [4] [5]

Implementaciones

Configuración de Otto
Configuración de Kretschmann

Para excitar los polaritones plasmónicos de superficie de manera resonante, se puede utilizar un bombardeo de electrones o un haz de luz incidente (la luz visible e infrarroja son típicas). El haz entrante tiene que hacer coincidir su momento con el del plasmón. [6] 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 en una longitud de onda y ángulo dados. La luz S-polarizada (la polarización ocurre perpendicularmente al plano de incidencia) no puede excitar plasmones electrónicos de superficie. Los plasmones electrónicos y magnéticos de superficie obedecen a la siguiente relación de dispersión :

a ( ω ) = ω do mi 1 mi 2 micras 1 micras 2 mi 1 micras 1 + mi 2 micras 2 {\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( ) es el vector de onda, es la permitividad relativa y es la permeabilidad relativa del material (1: el bloque de vidrio, 2: la película de metal), mientras que es la frecuencia angular y es la velocidad de la luz en el vacío. [7] ω {\estilo de visualización \omega} mi {\estilo de visualización \varepsilon} micras {\estilo de visualización \mu} ω {\estilo de visualización \omega} do {\estilo de visualización {c}}

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 utiliza luz para excitar ondas SP, existen dos configuraciones bien conocidas. En la configuración Otto , la luz ilumina la pared de un bloque de vidrio, normalmente un prisma, y ​​se refleja totalmente internamente . Se coloca una película fina de metal (por ejemplo, oro) 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. [8]

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. [8]

Emisión SPR

Cuando la onda plasmónica de la superficie interactúa con una partícula local o irregular, como una superficie rugosa , parte de la energía puede reemitirse en forma de luz. Esta luz emitida puede detectarse detrás de la película metálica desde varias direcciones.

Implementaciones analíticas

La resonancia plasmónica de superficie 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 la resonancia de plasmones de superficie convierten los fotones de luz reflejados por la película metálica en una señal eléctrica. Se puede utilizar un detector de posición (PSD) o un dispositivo acoplado a carga (CCD) para que funcionen como detectores. [9]

Aplicaciones

Esquema de un sensor que utiliza resonancia plasmónica de superficie

Los plasmones de superficie se han utilizado para mejorar la sensibilidad de la superficie de varias mediciones espectroscópicas, incluyendo fluorescencia , dispersión Raman y generación de segundo armónico . En su forma más simple, las mediciones de reflectividad SPR se pueden utilizar 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 (alrededor de nm de espesor). (Véase también los Ejemplos.) En otros casos se siguen los cambios en la longitud de onda de absorción. [10] El mecanismo de detección se basa en las moléculas adsorbidas que provocan cambios en el índice de refracción local, cambiando las condiciones de resonancia de las ondas plasmónicas de superficie. El mismo principio se explota en la plataforma competitiva desarrollada recientemente basada en multicapas dieléctricas sin pérdidas ( DBR ), que soportan ondas electromagnéticas de superficie con resonancias más agudas ( ondas de superficie de Bloch ). [11]

Si se modela la superficie con diferentes biopolímeros, utilizando la óptica adecuada y sensores de imagen (es decir, una cámara), la técnica se puede extender a la imagen por resonancia de plasmón 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 utiliza más comúnmente junto con un microscopio de canal de Langmuir-Blodgett ).

En el caso de las nanopartículas, las oscilaciones localizadas del plasmón superficial pueden dar lugar a los colores intensos de las suspensiones o soles que contienen las nanopartículas . Las nanopartículas o nanocables de metales nobles presentan fuertes bandas de absorción en el régimen de luz ultravioleta - visible que no están presentes en el metal a granel. Este extraordinario aumento de la absorción se ha aprovechado para aumentar la absorción de luz en células fotovoltaicas depositando nanopartículas metálicas en la superficie de la célula. [12] La energía (color) de esta absorción difiere cuando la luz se polariza a lo largo o perpendicularmente al nanocable. [13] Los cambios en esta resonancia debido a los 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 la resonancia de guía de ondas plasmónicas, la QCM , la transmisión óptica extraordinaria y la interferometría de polarización dual .

Inmunoensayo SPR

scFv: un fragmento variable de cadena única de un anticuerpo
Análisis SPR del G6 scFv purificado. (A) Representación esquemática ilustrativa de la inmovilización del G6 scFv en un Ausensor modificado con MUA. (B) Sensograma SPR de la inmovilización del G6 scFv en un portaobjetos con un Ausensor modificado con MUA. (C) Sensograma de Hsp70 en un péptido relacionado. [14] scFv : un fragmento variable de cadena sencilla de un anticuerpo

El primer inmunoensayo SPR fue propuesto en 1983 por Liedberg, Nylander y Lundström, entonces del Instituto Tecnológico de Linköping (Suecia). [15] Adsorbieron IgG humana en una película de plata de 600 Ångström y utilizaron el ensayo para detectar IgG antihumana en solución acuosa. A diferencia de muchos otros inmunoensayos, como ELISA , un inmunoensayo SPR no tiene etiqueta , ya que no se requiere una molécula de etiqueta para la detección del analito. [16] [17] [14] Además, las mediciones en SPR se pueden seguir en tiempo real, lo que permite el monitoreo de pasos individuales en eventos de unión secuenciales, particularmente útiles en la evaluación de, por ejemplo, complejos sándwich.

Caracterización de materiales

La resonancia plasmónica de superficie multiparamétrica , una configuración especial de la SPR, se puede utilizar para caracterizar capas y pilas de capas. Además de la cinética de unión, la MP-SPR también puede proporcionar información sobre los cambios estructurales en términos de espesor real de la capa e índice de refracción. La MP-SPR se ha aplicado con éxito en mediciones de la segmentación y ruptura de lípidos, [18] monocapas de grafeno depositadas mediante CVD (3,7 Å) [19] así como polímeros de espesor micrométrico. [20]

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. Por lo general, solo una solución está dentro del rango de datos razonable. En la resonancia de plasmón de superficie multiparamétrica , 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, sino que los sensores se calibran para la aplicación específica y se utilizan con interpolación dentro de la curva de calibración.

Nuevas aplicaciones

Debido a la versatilidad de la instrumentación SPR, esta técnica se combina bien con otros enfoques, lo que conduce a aplicaciones novedosas en diversos campos, como 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 , las nanopartículas se pueden utilizar para administrar moléculas terapéuticas de forma dirigida. [21] En general, la biodetección SPR está demostrando ventajas sobre otros enfoques en el campo biomédico debido a que esta técnica no requiere etiquetas, tiene un menor costo, es aplicable en entornos de atención inmediata y es capaz de producir resultados más rápidos para cohortes de investigación más pequeñas.

En el estudio de contaminantes ambientales, la instrumentación SPR puede utilizarse 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 la instrumentación SPR con una configuración de prisma Kretschmann en la detección de clorofeno, un contaminante emergente, se demostró que la SPR tiene niveles de precisión y exactitud similares a los de las técnicas cromatográficas. [22] Además, la detección SPR supera a las técnicas cromatográficas gracias a su análisis sencillo y de alta velocidad.

Ejemplos

Autoensamblaje capa por capa

Curvas SPR medidas durante la adsorción de un polielectrolito y luego una película autoensamblada de mineral arcilloso sobre un sensor de oro delgado (aproximadamente 38 nanómetros).

Una de las primeras aplicaciones comunes de la espectroscopia de resonancia de plasmones de superficie fue la medición del espesor (y del índice de refracción) de nanopelículas autoensambladas adsorbidas sobre sustratos de oro. Las curvas de resonancia se desplazan hacia ángulos mayores a medida que aumenta el espesor de la película adsorbida. Este ejemplo es una medición de "SPR estática".

Cuando se desea una observación a 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 "SPR dinámica". La interpretación de los datos supone que la estructura de la película no cambia significativamente durante la medición.

Determinación constante vinculante

Señal de asociación y disociación
Ejemplo de salida de Biacore

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

K D = a d a a {\displaystyle K_{\rm {D}}={\frac {k_{\text{d}}}{k_{\text{a}}}}}

En este proceso, un ligando se inmoviliza 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 de 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 ('tasa de activación', k a ) y disociación ('tasa de desactivación', k d ), se puede calcular la constante de disociación de equilibrio ('constante de unión', K D ).

La señal SPR detectada es una consecuencia del "acoplamiento" electromagnético 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 normalmente tiene solo unos pocos nanómetros de espesor. Cuando las sustancias se unen a la superficie, alteran la forma en que se refleja la luz, lo que provoca un cambio en el ángulo de reflexión, que se puede medir como una señal en los experimentos SPR. Una aplicación común es la medición de la cinética de las interacciones anticuerpo-antígeno .

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, generalmente entre 4 y 40 °C, es posible relacionar las constantes de velocidad de asociación y disociación con la energía de activación y, de ese modo, obtener parámetros termodinámicos que incluyen la entalpía de enlace, la entropía de enlace, la energía libre de Gibbs y la capacidad térmica.

Mapeo de epítopos por pares

Como la SPR permite el monitoreo en tiempo real, se pueden evaluar detalladamente los pasos individuales en los eventos de unión secuencial 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 plasmónica magnética

Recientemente, ha surgido un interés por los plasmones magnéticos de superficie, que requieren materiales con una gran permeabilidad magnética negativa, una propiedad que solo recientemente se ha hecho disponible con la construcción de metamateriales .

Grafeno

Se ha demostrado que la aplicación de capas de grafeno sobre oro mejora el rendimiento del sensor SPR. [23] 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 del SPR incorporando 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. [24]

También se ha demostrado que el grafeno mejora la resistencia de los sensores SPR al recocido a alta temperatura de hasta 500 °C. [25]

SPR de fibra óptica

Los recientes avances en la tecnología SPR han dado lugar a nuevos formatos 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 superficie a medida que los analitos pasan a través de un núcleo SPR hueco. [26] 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. [27] También ofrece un área de superficie aumentada para que los analitos se unan al revestimiento interno de la fibra óptica .

Véase también

Referencias

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Lectura adicional

  • Una selección de artículos de descarga gratuita sobre plasmónica en New Journal of Physics
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