Análise teórica de sistemas baseados na condição de ressonância de plásmons de superfície para aplicações em sensoriamento no visível e infravermelho médio

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Almeida, Aline dos Santos
• Orientador(a): Matos, Christiano José Santiago de
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por; eng
• Instituição de defesa: Universidade Presbiteriana Mackenzie
• Palavras-chave em Português: ressonância de plásmons de superfície; ITO; sensibilidade; infravermelho
• Link de acesso: https://dspace.mackenzie.br/handle/10899/29229

Esta tese apresenta uma análise teórica utilizando simulações numéricas no software Matlab de sistemas baseados na condição de ressonância de plásmons de superfície (em inglês, Surface Plasmon Resonance, SPR) no visível, tendo como material plasmônico o ouro, e no infravermelho médio, explorando o óxido metálico transparente ITO (em inglês, Indium Tin Oxide), para sensoriamento químico e biossensoriamento. Para os estudos no visível será considerado o analito (substância de interesse) em meio aquoso. Já no infravermelho, o analito em estudo será a concentração de água presente no biocombustível etanol A principal motivação deste trabalho foi a recente necessidade de desenvolvimento de novos biossensores para detecção de compostos químicos e biológicos prejudiciais ao ser humano. Um sensor químico, ou biossensor, convencional baseado em SPR é composto por um sistema multicamadas Prisma/Condutor/Analito. O analito é responsável por mudar o índice de refração próximo à superfície detectora, alterando a condição de SPR. O condutor comumente utilizado é um filme de ouro. Porém, no infravermelho, o ouro sofre perdas ópticas, e, neste caso, o ITO mostra-se mais adequado para geração de plásmons poláritons de superfície. A respeito do desempenho de sensores, a literatura reporta que, além de melhorar a fixação de biorreceptores e proteger contra oxidação, a adição de camadas de grafeno é capaz de aumentar a sensibilidade de sistemas baseados na condição de SPR do ouro. Um dos desafios desse trabalho foi, portanto, desenvolver um modelo teórico para um sistema multicamadas utilizando os coeficientes de Fresnel e as equações resultantes do método da matriz de transferência para o estudo da sensibilidade, bem como compreender a real influência do grafeno no desempenho de sistemas baseados na condição de SPR do ouro reportados na literatura. Neste estudo, o grafeno foi modelado de três maneiras distintas: como condutividade superficial (modelo 2D), como filme fino isotrópico e anisotrópico (modelos 3D). Os resultados mostraram que o aumento de sensibilidade utilizando o modelo 3D isotrópico reportado na literatura não é real, pois o grafeno deve ser modelado como uma condutividade superficial, ou como um filme fino anisotrópico, sendo que utilizando qualquer um desses dois tipos de modelamento não é possível obter aumento significativo de sensibilidade. Já no infravermelho, os resultados obtidos demonstraram que a sensibilidade em termos de unidade de índice de refração por concentração de água em etanol (RIU/%) é ~ 5 vezes maior que no visível, tornando sistemas baseados na condição de SPR do ITO muito atrativos para construção de sensores químicos e biossensores.