Análise teórica de sistemas baseados na condição de ressonância de plásmons de superfície para aplicações em sensoriamento no visível e infravermelho médio
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Tipo
Tese
Data de publicação
2022-02-02
Periódico
Citações (Scopus)
Autores
Almeida, Aline dos Santos
Orientador
Matos, Christiano José Santiago de
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Membros da banca
Rocha, Leandro Seixas
Grasseschi, Daniel
Fonsaca, Jéssica Eliza Silva
Borges, Ben Hur Viana
Grasseschi, Daniel
Fonsaca, Jéssica Eliza Silva
Borges, Ben Hur Viana
Programa
Engenharia Elétrica e Computação
Resumo
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.
Descrição
Palavras-chave
ressonância de plásmons de superfície , ITO , sensibilidade , infravermelho