Fabricação de guias de onda metal-dielétrico do tipo SPR para
aplicações no sensoriamento ótico
Resumo
O subprojeto prevê a fabricação de nanosensores plasmônicos para a detecção e caracterização de nanopoluentes metálicos e biomoléculas. Os analitos de interesse são especificamente nanoparticulas de prata (AgNPs) ou ouro (AuNPs) e Quantum-Dots (QDs) de cádmio telúrio modificados com ácido tioglicólico (CdTe-TGA) [1] que, ao mesmo tempo, atuam também como ligantes para a interação com eventuais analitos biomoleculares. Pois, as nanoparticulas de CdTe-QDs ligadas quimicamente sobre uma lamina de vidro observaram-se ser sensíveis a presença de histamina, uma importante amina biogênica.
Como típicas plataformas SPR para sensoriamento escolheu se guias de ondas plasmônicas do tipo dielectric-loaded (DLWGs) [2]. Um esquema das DLWGs fabricadas neste trabalho é representado na figura 1. O (3-Mercaptopropyl)trimethoxysilane (MPTMS) e o (3-amino propyl)trimethoxysilane (APTMS) são os ligantes escolhidos para promover a interação respectivamente com as AgNPs e os QDs de CdTe-TGA.
Fig.1: Estrutura final das DLWGs fabricadas. O ligante MPTMS ((3-Mercaptopropyl)trimethoxysilane) pode ser equivalentemente substituído por o ligante APTMS (3-amino propyl trimethoxy silane) .
Com referimento a figura1, a ultima camada molecular em contato com o meio externo (agua), pode ser constituída equivalentemente por MPTMS ou APTS, dependendo se o analito for as AgNPs ou os QDs respectivamente.
As principais atividades experimentais enfrentadas podem ser resumidas na seguinte lista: 1. Sínteses de AgNPs ,
2. Estudo da deposição de AgNPs sobre filmes finos de vidro funcionalizados com MPTMS,
3. Fabricação e caracterização das plataformas plasmônicas para sensoriamento, em particular de guias de onda plasmônicas do tipo dielectric-loaded (DLWG) [2], As nanoparticulas metálicas e semicondutoras foram sintetizadas no Departamento de Química da PUC-Rio. As soluções coloidais de AgNPs em solução aquosa com tartarato e os QDs demonstraram sofrer uma oxidação em ar e agua, com consequente perda das propriedades de luminescência e reatividade química com as superfícies de interesse ao longo do tempo. Isso leva a necessidade de um contínuo processo de síntese e um uso rápido das nanoparticulas.
Foram otimizados os parâmetros da funcionalização de superfícies vidrosas com MPTMS para favorecer a interação com ambos os analitos, AgNPs e QDs, usando a técnica de ângulo de contato e de espectroscopia UV-Vis.
As guias ondas produzidas ao longo do trabalho mostram uma ótima estabilidade em ambiente líquido ao longo de uma semana. Os parâmetros geométricos e óticos (espessura e índice de refração das camadas metálicas e dielétricas) das DLWGs obtidas experimentalmente foram avaliados usando a espectroscopia SPR em configuração Kreschtmann [3] e analisando os dados usando o software Winspall. O acordo entre as curvas teóricas e experimentais de excitação dos modos guiados das amostras foi ótimo.
Resultados obtidos
1. Sínteses de AgNPs
As AgNPs são produzidas em micro reator em fluxo continuo [4] a partir de soluções aquosas de tartarato de sódio e potássio (KNaC4H4O6·4H2O) como ligante, nitrato de prata (AgNO3), e boroidreto de sódio (NaBH4) como agente redutor. No recipiente de coleta, onde encontra-se o NaBH4, ocorre a redução da prata sobre agitação constante. A proporção equivalente entre Ag e o ligante é determinada pela velocidade parcial de cada reagente no sistema reacional micro fluídico. A proporção AgNO3/Ligante/NaBH4 utilizada é 1:1:1.5. As soluções são preparadas para serem usadas a uma molaridade de 10-3 mol.L-1. Uma solução coloidal de AgNPs com uma monodispersão adequada tem uma cor amarelo ouro, com uma banda de extinção centrada ao comprimento de onda de 390 nm. O típico espectro UV-Vis relativo a as AgNPs sintetizadas é representado na figura 2.
Fig. 2: Típico espectro UV-Vis das AgNPs em tartarato sintetizadas com reatores micro fluídicos. A ressonância de plasma está centrada em 390 nm.
Embora os espectros UV-Vis das nanoparticulas de QDs e de metal sejam reprodutíveis de síntese em síntese, a reprodutibilidade destes protocolos de síntese está sendo avaliada no presente momento através de medidas de tamanho efetuadas por microscopia TEM (microscopia por transmissão de elétrons).
2. Estudo da deposição de AgNPs sobre filmes finos de vidro
Para aumentar a adesão e o numero de moléculas de MPTMS ou APTMS ligadas ao substrato de vidro, a superfície do substrato tem que ser pré-tratada através de um preciso protocolo de limpeza e um procedimento comumente chamado de hidroxilação [5].
Os substratos de vidro são limpos em ultrassons usando em sequência os seguintes solventes: tricloroetileno, acetona, agua Milli-Q, etanol, agua Milli-Q. Uma vez secados com nitrogênio e por meio de uma estufa, os vidros são submetidos ao processo de plasma-etching ao fim de remover eventuais impurezas orgânicas resíduas do substrato e criar sobre o vidro uma camada fina de grupos moleculares OH- (hidroxilação).
A funcionalização (silanização) dos vidros acontece mergulhando as amostras pré-tratadas numa solução MPTMS em tolueno. A eficiência da silanização foi avaliada através de medidas de ângulo de contato [6] e medidas UV-Vis efetuadas sobre vidros silanizados e vidros contendo filmes finos de AgNPs. Neste ultimo caso o filme fino de AgNPs foi obtido mergulhando as amostras funcionalizadas nas soluções coloidais de nanoparticulas sintetizadas. Durante a funcionalização dos vidros, o procedimento da silanização teve como variáveis a serem analisadas o tempo da imersão dos vidros em na solução de ligantes (2 ou 4 horas) e a
concentração dessa solução (2.5 % ou 5% de ligando em tolueno). Os resultados para o MPTMS e o APTMS foram idênticos.
A tabela1 resume os resultados obtidos pelas medidas de ângulo de contato sobre as amostras funcionalizadas com MPTMS em tolueno.
Após limpeza Após 2h em MPTS 5%
Após 4h em MPTS 5%
~ 22º ~ 51º ~ 53º
Após limpeza Após 2h em MPTS 2.5%
Após 4h em MPTS 2.5%
~ 21º ~ 56º ~ 58º
Tabela 1: Dados de ângulo de contato caraterísticos de substratos de vidro antes e após a funcionalização com MPTMS.
Os dados da tabela 1 mostram claramente que a superfície de vidro se torna altamente hidrofóbica após o tratamento com MPTMS, o que garante uma eficiente funcionalização da superfície já depois de 2 horas de imersão na solução com o ligante. A funcionalização foi conduzida numa temperatura controlada de 40 oC.
As amostras funcionalizadas com o MPTMS foram imersas numa solução coloidal de AgNPs diluída de forma que o máximo do espectro de extinção na região da ressonância plasmônica das nanoparticulas tivesse o valor de ~ 2.8, usando uma cuba de espessura de 10 mm. As medidas UV-Vis efetuadas sobre os filmes finos de Ag sobre laminas de vidro mostram que uma concentração de MPTMS maior que 2.5% rende o filme fino de ligando menos eficiente na interação com as AgNPs, provavelmente a causa da criação de ligações entre os átomos de enxofre do ligante. Na figura 3 é reportado o espectro de extinção dos filmes de AgNPs depositados sobre os vidros funcionalizados com MPTMS numa concentração de 2.5 %. Os parametros das funcionalizações com MPTMS e AgNPs são resumidos para 4 amostras na tabela 2, enquanto o tempo de imersão das laminas silanizadas nas solução coloidal de AgNPs foi de 24 horas.
Fig.3: Espectro de extinção do filme de AgNPs depositado sobre lamina de vidro. Os parametros de síntese das amostras são reportados na tabela II.
Amostra Tempo de imersão em MPTS 2,5% Abs max (nm) V1 2h 0,169 393,00 V2 2h 0,185 392,50 V3 4h 0,176 394,50 V4 4h 0,159 396,50
Tabela. 2: Parametros de funcionalização dos 4 filmes finos de AgNPs com espectro de extinção representado na figura 4.
Os resultados mostram que a cobertura das laminas de vidro por as AgNPs não aumenta de forma considerável quando o tempo de imersão em MPTMS varia de 2 horas até 4. Resulta então preferível usar um tempo de silanização em MPTMS de 2 horas, o que favorece a formação de um filme mais fino. Assim, vidros silanizados por 2 horas numa solução de MPTMS em tolueno foram mergulhados numa solução coloidal de AgNPs em tempos de imersão diferentes. Os espectros UV-Vis sobre as amostras, representados na figura 4, indicam que os sítios úteis para as ligações S-Ag são saturados já depois de 3 horas de tempo de imersão nas AgNPs.
Fig.4: Espectro de extinção dos filmes de AgNPs depositados sobre lamina de vidro usando diferentes tempos de imersão na solução coloidal de nanoparticulas. Em 3 horas de tempo a extinção já chega bem próximo do valor medido depois de 24 horas.
Embora as AgNPs sintetizadas sejam estáveis ao longo de meses, é possível ligá-las quimicamente ao MPTMS só se a deposição for feita no mesmo dia do processo de síntese. Pois, tivemos casos nos quais as AgNPs não conseguiram ser depositadas sobre as lâminas de vidro, embora a deposição tenha sido efetuada no mesmo dia da síntese, indicando um possível processo de oxidação das nanoparticulas na solução coloidal.
3. Fabricação e caracterização das plataformas plasmônicas para sensoriamento 3.1 Aparado experimental
O aparato experimental usado para fazer as medições SPR configuração Kreschtmann [1] é representado na figura 5. A radiação de excitação consiste num laser He-Ne polarizado linearmente com comprimento de onda de 633 nm ou um laser em estado sólido ao comprimento de 783 nm. A luz é p-polarizada através de um polarizador linear (P), atravessa um diafragma (D) e é dividida em dois feixes por um divisor de feixe (DF). A potência do feixe de referência é medida por um detector ao silício (DR) da ThorLabs (Det36A), enquanto o feixe transmitido é refletido ao ângulo por um prisma triangular de SF4, e finalmente detectado por um segundo detector (DS) da ThorLabs, modelo S170 C com uma janela ativa de 2 cm x 2 cm, adquirida com o financiamento obtido com o presente projeto.
Fig.5: Esquema do espectrômetro SPR na configuração Kreschtmann . A radiação de excitação consiste numa fonte laser He-Ne ou em estado solido ao comprimento de onda de 783 nm. A luz é p-polarizada usando um polarizador linear (P) e, depois de atravessar o diafragma (D), é dividida em dois feixes por um divisor de feixe (DF). A potencia do feixe de referencia é medida por o detector DR enquanto o feixe
transmitido é refletido por a hipotenusa de um prisma triangular de SF4 e detectado por um segundo foto detector ai silício DS. Os analitos a ser detectados são injetados numa célula de fluxo (CF) em PEC usando
uma bomba fluídica em fluxo continuo. Os dados experimentais coletados são em fim enviados ao computador (PC) que gera automaticamente a curva de refletividade das amostras em função do ângulo de incidência
As amostras foram acopladas oticamente ao prisma através de um filme fino de liquido com alto índice de refração e colocadas sobre uma plataforma motorizada da SigmaKoki (modelo SGSP-80Y AW) mantida na obscuridade usando uma caixa de PVC preto. As soluções aquosas contendo as nanoparticulas serão injetadas numa célula de fluxo em PEC fabricada na oficina mecânica do Departamento de Física da PUC-Rio através de uma bomba em fluxo continuo da Future Chemistry.figura 6 é uma fotografia da parte do aparado experimental confinado na obscuridade no interior da caixa preta de PVC: em evidencia o detector S170 da ThorLab, base giratória motorizada da SigmaKoki, e a célula de fluxo em PEC.
Todo o aparado experimental foi montado sobre uma mesa ótica anti-vibração que funciona através de o compressor da ThorLabs modelo PTA512.
Fig. 6: Fotografia da parte do aparado experimental confinado na obscuridade no interior da caixa preta de PVC: em evidencia o detector da ThorLab S170C, base giratória motorizada da SigmaKoki, e a célula de fluxo em PEC para a injeção de líquidos.
4.1 Fabricação das guias de onda
As amostras, que tem a mesma estrutura representada na figura1, foram totalmente fabricadas na Sala Limpa do Departamento de Física da PUC-Rio. Os filmes finos foram depositados sobre vidros de SF4 previamente limpados e funcionalizados com 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (MPTMS, 97%, Sigma-Aldrich) seguindo a procedimento reportado no paragrafo 3.1. Os metais e o quartzo, com pureza maior dos 90 %, foram comprados respectivamente das empresas Kurt J. Lesker e Luminescence Technology Corp. Os filmes finos metálicos e de quartzo foram depositados usando um sistema de evaporação por feixes de elétrons modelo Leybold Univex 450, em vácuo (2 x 10-6 mbar) e com uma taxa de deposição de 2.1 Å/s. A espessura de cada deposição foi controlada in situ por um cristal de quartzo e confirmada através de medidas efetuadas com um perfilometro da Veeco, modelo Dektak 150, com uma resolução de cerca 2 nm. Cabe frisar que antes da deposição de quartzo a funcionalização da camada de ouro com o MPTMS foi seguida por um processo de condensação que garante uma melhor adesão do filme de SiO2.
Figura 7: Univex 450. a- cadinho com metal, b- filamento de tungstênio, c- suporte da amostra, d-cristal de quartzo, e- medidor de pressão, f- controlador de energia, g- câmera de vácuo.
4.2 Caracterização ótica das guias de onda
As medidas foram automatizadas criando um oportuno código em plataforma LabView7.0, que gera automaticamente ao final de cada medida a curva de refletividade das amostras em função do ângulo. Os dados experimentais coletados na plataforma LabView 7.0 são elaborados usando o software Winspall 3.02 disponível na rede na pagina web
http://www.mpip-mainz.mpg.de/knoll/soft/. Este software, criado pelo grupo do Prof. Knoll no Max Planck Institute para pesquisa sobre polímeros, elabora e refletividade de sistemas multicamadas usando as equações de Fresnel e as matrices de transferencia. Os dados de ingresso são a refletividade experimental em função do ângulo junto com valores iniciais de espessura e índice de refração complexo que caracterizam cada camada da amostra em analise. O software começa uma simulação iterativa procurando os parâmetros de cada camada que minimizam o entre as curvas experimental a teorica da reflectividade em função do ângulo de ingresso.
As guias de onda, que foram caracterizadas no ar e em ambiente aquoso, são constituidas por filmes finos de ouro e silica amorfa tendo as espessuras nominais respectivamente de 48 nm e 650 nm. Nas figuras 8 e 9 são represntadas as medidas de ressonacia SPR em configuração Kreschtmann efetuadas sobre uma DLWG em ar, ao comprimento de onda de 633 nm e com
polarização respectivamente TM e TE. Os pontos pretos representam as curvas experimentais, enquanto as linhas vermelhas representam o fit teórico efetuado por Winspall. Os resultados do fit são coerentes com os valores nominais de fabricação e as constantes dielétricas do ouro e da sílica amorfa reportados em literatura neste comprimento de onda [3]. Em particular o fit teórico da como resultados os seguintes valores:
dAu = 48.1 nm, Au Real = -11.53, Au Im = 1.407, dsilica amorfa = 676.53 nm, silica amorfa = 2.131. As curvas de ressonancia SPR foram adquiridas tambem em meio liquido, com resultados coerentes com as medidas reportadas nas figuras 8 e 9. Cabe frisar que neste caso a estabilidade da DLWG foi observada ao longo de 10 dias, revelando uma ótima estabilidade da guia de onda em água ao longo de uma semana.
Fig. 8: Curva experimental (pontos pretos) de ressonância SPR efetuada com polarização TM e ao comprimento de onda de 633 nm sobre a DLWG em ar. A linha vermelha representa o fit teórico efetuado por Winspall. Os resultados do fit são coerentes com os valores nominais de fabricação e as constantes dielétricas do ouro e da sílica amorfa reportados em literatura neste comprimento de onda.
Fig. 9: Curva experimental (pontos pretos) de ressonância SPR efetuada com polarização TE e ao comprimento de onda de 633 nm sobre a DLWG em ar. A linha vermelha representa o fit teórico efetuado por Winspall. Os resultados do fit são coerentes com os valores nominais de fabricação e as constantes dielétricas do ouro e da sílica amorfa reportados em literatura neste comprimento de onda.
No mês de junho e julho 2015 foram enfim efetuadas medidas SPR para observar a interação entre o filme de sílica amorfa das DLWG e os nanopoluentes metálicos. Até agora não foi possível medir sinais óticos reconduzíveis a detecção destas espécies, devido à momentânea dificuldade em sintetizar novas nanopartículas com atividade química reproduzível.
No mês de agosto 2015 serão sintetizadas novas AgNPs e nanoparticulas de QDs no Departamento de Química da PUC-Rio, enquanto amostras de solução de AuNPs em citrato foi gentilmente cedida pelo InMetro ao grupo de Plasmônica Aplicada ao fim de verificar se a escolha de um metal mais estável como o ouro possa eliminar o problema da dificuldade de controle da atividade química de superfície de nanopartículas mais reativas como aquelas de prata.
5. Conclusões
Foram sintetizadas soluções coloidais aquosas de nanopartículas de prata em tartarato que, embora mostrando-se estáveis morfologicamente, se revelaram instáveis do ponto de vista da atividade química na interação com as superfícies vidrosas. Mesmo assim os parâmetros do processo de deposição das nanoparticulas sobre vidro foram otimizados, e os filmes finos depositados foram caracterizados via espectroscopia UV-Vis.
As DLWGs foram fabricadas em Sala Limpa e caracterizadas oticamente por a espectroscopia SPR em configuração Kreshtmann, indicando um ótimo controle dos parâmetros das guias de onda no processo de fabricação.
Foram enfim efetuadas provas de sensoriamento SPR dos nanopoluentes. Até este momento não foi possível detectar a interação entre o filme fino de sílica amorfa das DLWG e as nanopartículas, a causa da perda de atividade química da superfície dos nanopoluentes ao longo do tempo. Por isso, novas nanoparticulas de AgNPs e QDs serão sintetizadas no mês de agosto 2015.
Bibliografia
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2. Z. Salamon, H.A. Macleod, G. Tollin, “Coupled Plasmon-waveguide Resonators: A new Spectroscopic Tool for Probing Proteolipid Film Structure and Properties”, Biophys. Journal, 73, pp. 2791-2797, (1997)
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