La resonancia del plasmón de superficie (o en inglés : resonancia de plasmón de superficie ) es un fenómeno físico de interacción luz-materia principalmente conocido por su uso como método para medir la unión de un " ligando " a un " receptor " adsorbido a la superficie de una capa de metal.
La resonancia de plasmón superficial es una oscilación de la densidad de cargas que pueden existir en la interfaz entre dos medios o materiales que tienen constantes dieléctricas de signos opuestos, como un conductor sumergido en un líquido dieléctrico. En el caso de un conductor, los electrones libres (capa de valencia ) constituyen un gas (plasma) en su superficie. Su oscilación puede ser descrita por una onda que tiene un máximo en la interfaz con el dieléctrico y que disminuye exponencialmente (evanescente) en ambos medios. Estos plasmones de superficie pueden resonar utilizando una onda electromagnética que cumpla ciertos criterios, como la longitud de onda en relación con el tamaño de la estructura metálica.
Desde el XVII ° siglo, las soluciones de coloide de partículas de oro a nanoescala se utilizaron para teñir las ventanas de un color rojo rubí. Fue solo con el esfuerzo de Faraday quien estableció el vínculo con el oro y de Mie que se interesó por la absorción y dispersión de la luz por partículas metálicas esféricas.
En 1902 , Wood, al observar el espectro de una fuente continua de luz blanca usando una rejilla de difracción reflectante, notó finas bandas oscuras en el espectro difractado. Los análisis teóricos realizados por Fano en 1941 llevaron a la conclusión de que estas anomalías estaban asociadas con ondas superficiales ( plasmones superficiales ) soportadas por la red. En 1968 , Otto demostró que estas ondas superficiales pueden excitarse mediante una reflexión atenuada total. En el mismo año, Kretschmann y Raether obtienen los mismos resultados de una configuración diferente del método de reflexión total atenuada. Como resultado de este trabajo, ha aumentado considerablemente el interés por los plasmones superficiales, en particular para caracterizar películas delgadas y estudiar procesos que tienen lugar en interfaces metálicas. Nylander y Liedberg marcaron un punto de inflexión en las aplicaciones de plasmones de superficie y explotaron por primera vez, en 1983 , la configuración de Kretschmann para la detección de gases y biomoléculas .
Los electrones libres en un metal pueden moverse libremente en el material con una trayectoria libre promedio de aproximadamente 50 nm. Para partículas de este mismo orden de magnitud, la interacción onda-materia ya no da como resultado una dispersión de volumen, sino interacciones de superficie. Cuando la onda incidente es de longitud de onda mucho mayor que el tamaño de la capa de metal (o como veremos a continuación de la partícula), puede generar una resonancia estacionaria por interacción con los electrones de la banda de conducción. Cuando la onda resuena con los plasmones superficiales, los electrones libres oscilan coherentemente. A medida que se propaga el frente de onda, la densidad de carga se polariza y oscila de acuerdo con la frecuencia del campo en el sólido. Esto da como resultado oscilaciones dipolares estacionarias orientadas según el campo eléctrico de la onda de excitación. Esto se llama resonancia de plasmón superficial.
La descripción de los plasmones de superficie se basa en el formalismo de las ecuaciones de electromagnetismo de Maxwell, en particular para interfaces simples de metal-dieléctrico.
Si en el vacío, el campo electromagnético puede ser descrito por el campo eléctrico y el campo magnético , se requieren otros tres vectores en la materia para dar cuenta del campo magnético en la materia, el desplazamiento eléctrico y la densidad de la corriente eléctrica (respectivamente el vectores ). las relaciones entre las cantidades en el vacío y las de la materia pueden relacionarse mediante las ecuaciones constitutivas . Por tanto, tendremos las cuatro ecuaciones de Maxwell más tres ecuaciones constitutivas. Aún no permite una descripción completa del campo electromagnético sin tener en cuenta las condiciones de contorno ya que lo que nos interesará es el comportamiento de la onda en la interfaz entre dieléctrico y metal. Para completar este formalismo, nos centraremos en las componentes tangenciales y normales del campo electromagnético en la incidencia de una superficie.
Distinguiremos dos casos (entre otros) de la aplicación de resonancia de plasmón superficial. La aplicación más común y documentada sigue siendo el uso de este fenómeno en la detección de la variación del índice en la interfaz de un metal noble, potencialmente inducida por la presencia de una molécula de interés ( biosensores ). También podemos preguntarnos qué sucede en el caso de que el objeto plasmónico sea de tamaño muy pequeño a diferencia del caso siguiente. Hablaremos de nanopartículas plasmónicas y fenómeno localizado.
Cuando la estructura plasmónica es de un tamaño comparable a la longitud de onda de excitación, surge la cuestión del espectro de extinción y la competencia entre absorción y difusión.
La localización del fenómeno en las proximidades de la interfaz ha permitido el desarrollo de sistemas de detección SPR que miden la variación del índice de refracción en las proximidades de la interfaz cuando el ligando se une a los receptores. El plasmón de superficie es una onda decreciente exponencialmente a ambos lados de la interfaz que separa un metal (oro, plata, etc. ) de un medio dieléctrico sin pérdidas (medio biológico por ejemplo), paralelo al que se propaga. El campo electromagnético en el medio biológico al tener un carácter de onda evanescente, es decir la amplitud disminuyendo exponencialmente con la distancia a la interfaz, la fijación de moléculas en la interfaz modificará la información contenida en la onda tanto en términos de su fase como de su amplitud. La onda de plasmón actúa como sonda en el medio donde tiene lugar la reacción biomolecular. A continuación, la información puede recopilarse sobre la fase o sobre la amplitud del haz reflejado. Por lo general, la onda incidente, TM polarizada, pasa primero a través de un prisma de vidrio de alto índice de refracción (pero también se podría usar una rejilla de difracción) y se refleja en la interfaz recubierta de metal en un ángulo de incidencia mayor que el ángulo crítico definido con respecto al medio biológico. Este prisma constituye el dispositivo para acoplar la onda incidente con la onda superficial (plasmón superficial).
En resumen :
La resonancia de plasmón de superficie se puede utilizar en particular en detectores biológicos inmunes. Se funcionaliza una superficie del metal (Ag o Au) con anticuerpos y con este método se puede detectar la unión de antígenos a este último. Las ventajas de este sistema como sensor biológico son las siguientes:
Desde principios de la década de 1990 , se han creado muchas empresas en torno al desarrollo de biosensores ópticos por parte de SPR.