Caracterização e montagem de um sensor de ressonância de plasmon de superfície (SPR)

Campinas 2016

Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação

Departamento de Comunicações

Laila Fabi Moreira

Caracterização e montagem de um Sensor de

Ressonância de Plasmon de Superfície (SPR)

Campinas 2016

Laila Fabi Moreira

Caracterização e montagem de um Sensor de

Ressonância de Plasmon de Superfície (SPR)

Dissertação apresentada à

Faculdade de Engenharia Elétrica

e de Computação da Universidade

Estadual de Campinas como parte

dos requisitos exigidos para

obtenção do título de Mestra em

Engenharia Elétrica, na Área de

Telecomunicações e Telemática.

Orientador: Prof. Dr. Lucas Heitzmann Gabrielli

Este exemplar corresponde à versão final Dissertação defendida pela aluna Laila

Fabi Moreira e orientada pelo Prof. Dr. Lucas Heitzmann Gabrielli.

Agência(s) de fomento e nº(s) de processo(s): CAPES, 1301166/2015-73

Ficha catalográfica Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura

Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129 Moreira, Laila Fabi,

M813c MorCaracterização e montagem de um sensor de ressonância de plasmon de superfície (SPR) / Laila Fabi Moreira. – Campinas, SP : [s.n.], 2016.

MorOrientador: Lucas Heitzmann Gabrielli.

MorDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação.

Mor1. Ressonância de plasmon de superfície. 2. Prototipagem. 3. Etanol. 4. Combustíveis - Análise. I. Gabrielli, Lucas Heitzmann,1982-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. III. Título.

Informações para Biblioteca Digital

Título em outro idioma: Caracterization and design of a surface plasmon resonance sensor

(SPR)

Palavras-chave em inglês:

Surface plasmon resonance sensor Prototyping

Ethanol

Combustible - Analysis

Área de concentração: Telecomunicações e Telemática Titulação: Mestra em Engenharia Elétrica

Banca examinadora:

Lucas Heitzmann Gabrielli [Orientador] Daniel Orquiza

Hugo Enrique Hernández Figueroa

Data de defesa: 08-07-2016

Comissão Julgadora – Dissertação de Mestrado

Candidato: Laila Fabi Moreira RA: 153945

Data da defesa: 08 de Julho de 2016

Título da Tese: Caracterização e montagem de um Sensor de Ressonância de

Plasmon de Superfície (SPR)

Prof. Dr. Lucas Heitzmann Gabrielli (FEEC/UNICAMP)

Prof. Dr. Daniel Orquiza (UNESP)

Prof. Dr. Hugo E. H. Figueroa (FEEC/UNICAMP)

A ata de defesa, com as respectivas assinaturas dos membros da Comissão

Julgadora encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.

Dedico este trabalho ao meu pai, João, à minha mãe, Ivanira, aos meus irmãos e à todos que torceram por mim.

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a toda minha família, ao namorado e principalmente ao meu pai Joao Roberto Moreira Neto, que me apoiaram durante todo o projeto. Sempre acreditando no meu potencial, me dando apoio moral e com isso possibilitando que todo o trabalho fosse feito com muito carinho e esforço.

Agradeço a todos meus amigos da empresa Bradar, principalmente ao Yusef Cáceres e Tadeu Pires Pasetto, que me ajudaram em todas as dúvidas que surgiram.

Agradeço a todos os professores da UNICAMP, principalmente ao meu orientador Prof. Dr. Lucas Heitzmann Gabrielli e Prof. Dr. Hugo Enrique Hernández Figueroa, que me apoiaram e ajudaram a concluir o projeto.

Agradeço a CAPES, FAPESP e ao CNPq que contribuíram para o financiamento do projeto.

Agradeço também a todas as pessoas que contribuíram de alguma forma para que esse projeto fosse possível.

“A persistência é o menor caminho do êxito”. (Charles Chaplin)

Resumo

Este trabalho apresenta a caracterização, projeto e estudo de um sensor de ressonância de plasmon de superfície (SPR) usando técnica de reflexão total atenuada (ATR –

atenuated total reflection) para verificação e quantificação da existência de uma certa substância em um meio, que pode ser um líquido ou gasoso. Para esta interpretação é necessária a existência de uma sensibilidade mínima no sistema, que pode ser afetada pela interação inadequada do meio com o sensor SPR ou por um erro na montagem que não excite a superfície do sensor plasmônico. Este trabalho consiste no estudo em cima das formas apropriadas de acoplamentos do meio com a superfície do sensor plasmônico aplicando a técnica de microfluídica e a aquisição dos dados em uma plataforma de prototipagem eletrônica, enfatizando os cálculos e análises para ocorrer a excitação adequada do sensor. O sistema final apresente o limite de detecção em torno de 9,89 × 10, demonstrando ser adequado para a aplicação proposta: detecção de água em etanol para controle de combustíveis.

Abstract

This work presents the description, design and study of a surface plasmon resonance (SPR) sensor using the attenuated total reflection (ATR) technique for verification and quantification of the existence of a certain substance in a medium, be it liquid or gas. For this detection the system must present a certain level of sensitivity, which can be deteriorated by inappropriate interaction of the medium with the SPR sensor or by an error in the assembly that prevents the excitation on the surface of the plasmon sensor. This work consists on a study based on the appropriate coupling methods between the target medium and the surface of the plasmon sensor via a microfluidic technique. We demonstrate data acquisition in an electronic prototyping platform, emphasizing the calculations and analyses necessary to promote an appropriate sensor excitation. The final system presents a limit of detection around 9,89 × 10, which is adequate for the proposed application: detection of water content in ethanol for fuel control.

Lista de Ilustrações

Figura 1 - Sensor plasmônico com técnica ATR. ... 18

Figura 2 – Seção de um guia de onda planar. ... 21

Figura 3 - Interface do meio 1,2 e 3. ... 22

Figura 4 - Interface do meio 1 e 3. ... 24

Figura 5 - Sistema Microfluídico. ... 26

Figura 6 - Procedimento de fabricação de microcanais. a) deposição de SU-8 em cima do quartzo e aquecido em cima de um wafer. b) Fotomáscara é colocado em cima do SU-8 e quartzo e exposto a luz UV. c) Fotomáscara passou para o SU-8 que está em cima do quartzo. d) É colocado PDMS em cima do SU-8 junto com o quartzo e aquecido. e) PDMS é retirado do quartzo e é perfurado os canais para passagem do fluido. ... 27

Figura 7 - PDMS. ... 28

Figura 8 - Componentes de um sensor plasmônico. ... 29

Figura 9 - Modelos de SPR: (a) acoplamento por prisma (b) acoplamento por guia e (c) acoplamento por grade de difração ... 31

Figura 10 - Plataforma do Arduino. ... 32

Figura 11 - Montagem do laser. ... 34

Figura 12 - Conjunto do prisma com metal. ... 35

Figura 13 - O conjunto de dielétrico, metal e prisma. ... 35

Figura 14 - Layout frente e verso do Fotodetector. ... 36

Figura 15 - Fotodetector anexado na estrutura estável. ... 37

Figura 16 - Esquema geral do teste com a fonte de luz de LED. ... 38

Figura 17 - Montagem do teste com a fonte de luz de LED. ... 38

Figura 18 - Saturação do Fotodetector com resistência de 150kΩ. ... 39

Figura 19 - Esquema geral do teste com o laser. ... 40

Figura 20 - Montagem do teste com o laser. ... 40

Figura 21 - Gráfico da simulação com as quatro curvas, ar, água, álcool isopropílico e etanol. ... 43

Figura 23 - Medição para o ar sem e com PDMS. ... 45

Figura 24 - Medição para a água. ... 46

Figura 25 - Medição para o álcool isopropílico. ... 47

Figura 26 - Medição para o etanol. ... 48

Figura 27 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para o ar sem PDMS. ... 49

Figura 28 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para o ar com PDMS. ... 50

Figura 29 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para a água. . 51

Figura 30 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para o álcool isopropílico. ... 52

Figura 31 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para o etanol. ... 53

Figura 32 – Simulação da Sensibilidade para todas substâncias. ... 55

Figura 33 – Simulação da Resolução para todas substâncias. ... 56

Figura 34 – Simulação das porcentagens de água em etanol. ... 57

Figura 35 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para 50% de água no etanol. ... 58

Figura 36 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para 40% de água no etanol. ... 58

Figura 37 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para 30% de água no etanol. ... 59

Figura 38 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para 20% de água no etanol. ... 59

Figura 39 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para 10% de água no etanol. ... 60

Figura 40 – Curva de sensibilidade. ... 61

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Comparação das medidas adquiridas sem PDMS. ... 49

Tabela 2 - Comparação das medidas adquiridas com PDMS. ... 50

Tabela 3 - Comparação das medidas adquiridas com água. ... 52

Tabela 4 - Comparação das medidas adquiridas com álcool isopropílico. ... 53

Tabela 5 - Comparação das medidas adquiridas com etanol. ... 54

Tabela 6 – Análise da substância com menor Sensibilidade. ... 55

Tabela 7 - Comparação das medidas adquiridas com porcentagens de água em etanol. ... 57

Tabela 8 – Tabela dos valores mínimos de ressonância captados à mão e comparados com a simulação. ... 61

Sumário

Lista de Tabelas ... xii

Sumário ... xiii 1 INTRODUÇÃO ... 15 2 SENSORES PLASMÔNICOS ... 17 2.1 Definição ... 17 2.2 Excitação do sensor ... 18 2.3 Microfluídica ... 26

2.4 Componentes de um sensor plasmônico ... 28

2.5 Funcionamento dos modelos de um sensor plasmônico ... 29

2.6 Arduino ... 31

3 PROJETO ... 33

3.1 Montagem do sistema ... 33

3.1.1 Laser ... 33

3.1.2 Conjunto do Prisma e Metal ... 34

3.1.3 Dielétrico ... 34

3.1.4 Fotodetector ... 36

3.2 Aquisição dos dados ... 36

3.2.1 Teste com fonte de luz LED ... 37

3.2.3 Teste de simulação no Matlab ... 41

3.2.1 Teste para adulteração do Etanol ... 42

4 RESULTADOS ... 43

4.1 Simulações ... 43

4.2 Medidas ... 44

4.3 Comparações ... 48

4.4 Cálculo da Sensibilidade e Resolução ... 54

4.5 Testes da Adulteração do Etanol ... 56

5 CONCLUSÕES ... 63

1 INTRODUÇÃO

Nas últimas duas décadas houve um crescimento significativo no desenvolvimento de sensores ópticos para as áreas químicas e biológicas devido a importância de equipamentos com precisão, com resposta imediata e sem fios. Com isso, o sensor plasmônico é usado atualmente em diversas aplicações como diagnósticos medicinais, biotecnologia, entre outros. É visto como tecnologia de ponta e usado como forma de aprimoramento da sensibilidade de medições espectroscópicas de superfície com detecção sem fios em tempo real, sendo usado em medições de refletividade para a constatação de absorção molecular, como também proteínas, DNA, polímeros, entre outros [1].

O sensor plasmônico realiza estimativas quantitativas através da medida do índice refrativo, absorção e propriedades fluorescentes de moléculas de analitos ou meio transduzido químico-óptico [1-4]. A medida é feita através da excitação de ondas plasmônicas de superfície (SPW – surface plasmon wave) entre o meio a ser caracterizado e um metal apropriado.

O potencial do sensor plasmônico, reconhecido no final dos anos setenta, foi caracterizado a partir de um filme de metal fino [5] e processos de monitoramento em interfaces de metal [6], sendo os primeiros sensores ópticos químicos baseados nas alterações de medidas de absorção de espectro. Eles foram desenvolvidos para obtenção das medidas de concentrações de  e  [7]. A anomalia de difração de grade até a excitação de uma onda de superfície plasmônica foi então descrita no início do século vinte por Wood [8] e no final dos anos sessenta, a excitação de superfície plasmônica pelo método de reflexão total atenuada foi demonstrado por Kretschmann [9] e Otto [10]. Desde então vem crescendo continuamente em termos de desenvolvimento de instrumentação e aplicação, sendo esta tecnologia comercializada por diversas companhias e tornando-se uma ferramenta central e de ponta para caracterização, quantificação de interações biomoleculares e análises em tempo real [11].

Um dos grandes desafios enfrentados é a sensibilidade do sensor. Ela é definida pelos parâmetros de monitoração, como ângulo de ressonância ou comprimento de onda, e pelos parâmetros determinados, como índice de refração, espessura do metal usado ou

concentração dos analitos em solução [12-16], assim como o acoplamento dos analitos à superfície do sensor com a técnica de microfluídica [17].

Outro fator que pode implicar na sensibilidade é a técnica usada para o acoplamento da luz para excitação da SPW, sendo verificado que a sensibilidade é maior usando acopladores de prisma com técnica ATR (attenuated total reflection) do que com acopladores de grade [16]. Também é conhecido que a geometria de Kretschmann do método ATR encontra-se como técnica mais adequada para detecção e tornou-se a geometria mais amplamente usada em sensores SPR [1].

Com base nos argumentos citados foi realizado no projeto, através de estudos teóricos e práticos, a demonstração de um sensor baseado na técnica ATR otimizado para aplicações nacionais, como a detecção de dengue [18] ou alterações em combustíveis [19], estabelecendo a melhor forma de acoplamento entre os analitos e a superfície do sensor plasmônico, com a técnica de microfluídica. Para isso foi necessário o uso de equipamentos de medida e de aquisição de dados, como também métodos numéricos para o cálculo do ângulo ótimo da excitação do plasmon de superfície.

No capítulo 2 será apresentado um aprofundamento bibliográfico sobre sensores plasmônicos, partindo da definição, passando pelas leis de Maxwell para demonstração da excitação do sensor, explicando a parte da microfluídica, abordando os componentes que compõem o sensor, passando pelos funcionamento dos modelos de sensores plasmônicos e por último demonstrando o conceito de aquisição de dados.

No capítulo 3 serão descritas as três etapas do projeto, que consistem na montagem do sistema para a excitação do sensor plasmônico, do sistema de aquisição dos dados e do sistema de microfluídica, caracterizados através de cálculos analíticos e simulações para montagem do sistema e funcionamento do sensor.

No capítulo 4 serão mostrados os resultados experimentais obtidos que serão comparados e analisados com base nos modelos apresentados no capítulo 3.

Por fim no Capítulo 5 será apresentada a conclusão do projeto e as possibilidades de continuação do mesmo.

2 SENSORES PLASMÔNICOS

2.1 Definição

Sensores plasmônicos são sensores ópticos que exploram ondas eletromagnéticas suportadas em uma interface metal-dielétrico, chamadas de plasmon de superfície. A existência e excitação dessas ondas dependem criticamente da relação entre os índices de refração do metal e dielétrico que compõem a interface. Essa especificidade nos permite, por exemplo, caracterizar o meio dielétrico e sua composição.

É possível a utilização de receptores biológicos presos à superfície do sensor para especificar quais moléculas (analitos em geral) serão ali imobilizados e efetivamente detectadas. Essa técnica dá origem aos biosensores plasmônicos. Diversas áreas utilizam os biosensores para a detecção de analitos e análise de sua interatividade biomolecular [20]. Assim o biosensor pode ser dimensionado como um transdutor, eletroquímico, piezoelétrico ou óptico (como no caso dos biosensores plasmônicos). Este tipo de sensor mede a mudança de índice refrativo induzido pelas ligações bioquímicas nos receptores, operando em tempo real [21].

Para o funcionamento do sistema de análise é necessário que o sensor excite a onda SPW através de um feixe de luz. Com este fenômeno de interação com as características da onda da luz, pode ser medida a variação da constante de propagação da onda, que demonstrará a interação com o sensor. Para isto é necessário que o componente do vetor de onda da luz paralelo à superfície do metal seja igual à constante de propagação da onda SPW, que é uma onda transversa magnética (TM) que se propaga ao longo da superfície do sensor e com distribuição de campo eletromagnético que decai exponencialmente nos dois meios, dielétrico e metal [21].

A SPW é mais concentrada no dielétrico e sua constante de propagação é extremamente sensível às variações do seu índice refrativo. Assim, o reconhecimento de elementos biomoleculares da amostra capturados na superfície do metal ocorre devido a um aumento ou diminuição do índice refrativo na proximidade do metal. A mudança do índice refrativo altera também a constante de propagação da SPW. Considerando que uma onda incidente do espaço livre não possui as características necessárias para excitação da SPW

(componente paralela do vetor de onda casada à constante de propagação do modo guiado), é indispensável o uso de métodos complementares, como acoplamento por prisma, grade ou outro guia de onda [21].

Assim um típico sistema SPR é composto por: um filme metálico, um método complementar de acoplamento, um feixe de luz, um detector e um dielétrico. Para uma representação do sistema é usado o SPR com acoplamento de prisma como método complementar, que pode ser visto a partir da Figura 1 a seguir:

Figura 1 - Sensor plasmônico com técnica ATR.

Para uma explicação detalhada, a dissertação está subdividida da seguinte forma: a seção 2.1 descrevendo cada componente usada no sistema, a seção 2.2 retratando o funcionamento dos modelos de sensor plasmônico e a seção 2.3 representa o funcionamento do sistema com técnica ATR usada como foco deste projeto.

2.2 Excitação do sensor

A partir das equações de Maxwell, temos [22]:

 ∙   0 (1)

 ×  +_  0 (3)

 ×  −_   (4)

Onde  é o campo elétrico,  o campo magnético,  a densidade de fluxo elétrico,  a densidade de fluxo magnético,  a densidade de cargas livres e  a densidade de corrente. Outro fato necessário são as relações constitutivas:

   (5)

   (6)

Considerando um meio livre de cargas e correntes, sabemos que   0 e   0. Sabendo que  !  _"#, sendo  o vetor no espaço, $ o tempo e como os materiais utilizados não são magnéticos, então  !  _". Substituindo as relações constitutivas nas equações de Maxwell, temos:

 ∙ "  0 (7)

 ∙ %#"&  0 (8)

 ×  + "'_  0 (9)

 ×  − "#(_  0 (10)

Assumindo um guia de onda constituído de um meio linear isotrópico, as equações de Maxwell de (7) ao (10) podem ser reduzidas para a equação do vetor de onda do campo elétrico e magnético. Para isso é necessário isolar o termo do campo magnético da equação (9) e inserir na equação (10) chegando na equação do vetor de onda do campo elétrico. O mesmo é feito para determinar o vetor de onda no campo magnético, isolando o termo do campo elétrico da equação (10) e inserindo na equação (9), assim temos:

Δ − "#" *_(

*  + ∙ ,-"#. (11)

Δ − _"#"_*'_*  + × . × ,-_"#! (12)

A solução da equação de onda geral de uma onda propagante em z no tempo é:   /0102, 3!024+567 − 8$!.9

 /01:02, 3! + 0;2, 3!7"<exp 567 − 8$!!9 (13)

  /01ℎ2, 3!024+567 − 8$!.9

 /0 B1ℎ2, 3! + ℎ;2, 3!7"9exp 567 − 8$!!C (14)

A partir disso, a solução geral é inserida na equação de onda e podemos separar as componentes tangenciais e longitudinais, tomando as primeiras como incógnitas. Podemos substituir os operadores diferenciais da equação (11) usando [22]:

∆→ ∆− 6 (15)

*

* → −F (16)

+,-"# !. → −:567 + <:,-"# !< (17)

Assim a equação do vetor de onda para o campo elétrico fica:

:∆− 6+ F"# !"<0  −:567 + <:0,-"# !< (18)

O mesmo é feito para o campo magnético. Assim a equação do vetor de onda para o campo magnético fica:

:∆− 6+ F"# !"<ℎ  −+,-"# !. × +:+ 567< × ℎ. (19)

Em cada meio homogêneo o termo _,-_"# ! se anula, logo as equação (18) e (22) ficam:

:∆− 6+ F"# !"<0G  0 (20)

:∆− 6+ F"# !"<ℎG  0 (21)

em que 5  2, 3, 7.

Através da orientação cartesiana dada pela Figura 2, os vetores de campo dependem apenas de x e z e as equações (13) e (14) ficam respectivamente:

E  ex!exp+iβz − wt!. (22)

Figura 2 – Seção de um guia de onda planar.

Assim, substituindo a equação (22) na (20) para o modo TE, onde 0_;  0 na direção 3:

*_NO

P* + −6+ F"# !"!0Q2!  0 (24) Analogamente, substituindo a equação (23) na (21) para o modo TM, onde na direção 3:

*_RO

P* + −6+ F"# !"!ℎQ2!  0 (25) Para descobrir as outras componentes dos modos TE, ℎ_P2! e ℎ_;2!, e TM, 0_P2! e 0_;2!, é necessário conhecer os seguintes parâmetros: S_G  F_"G"− 6,   _"G, 3_{G  6− FG"", T e U as amplitudes dos campos. Com isso, é usada para o modo TE a}

equação (9) inserindo a equação (25) no campo elétrico e (14) no campo magnético. Para o modo TM é usado a equação (10) inserindo a equação (26) para o campo magnético e (13) para o campo elétrico. Assim, a partir das equações de Maxwell, a equação de onda geral e a equação de onda obtida é possível chegar nas respectivas equações para o modo TE e TM:

ℎP  T_WV_XY0GZ[P (26)

ℎ;  −T_WZG_XY0GZ[P (27)

0P −U_\YV 0GZ[P (28)

0; U_\YZG 0GZ[P (29)

A partir das componentes do modo TM, componentes paralelas ℎ_Q2! e 0_;2!, considerando 2  ]/2 e 2  −]/2, e fazendo a igualdade na interface a partir da Figura 3 fica para o meio 1 e 2, 2 e 3 respectivamente:

ℎQ]/2! → U`0Qab/ Uc0GZb/+ U0GZb/ (30)

0;]/2! → U`_Y\GQ_aa_\X0Qab/ _Y\Z_*\X+Uc0GZb/+ U0GZb/. (31)

ℎQ−]/2! → Ud0Qeb/  Uc0GZb/+ U0cGZb/ (32)

0;−]/2! → Ud_Y\GQ_e\e_X0Qeb/ _Y\Z_*\X+Uc0GZb/+ U0cGZb/. (33)

Figura 3 - Interface do meio 1,2 e 3.

Assim isolando o termo U_` na equação (30) e substituindo na equação (31) e isolando o termo U_d na equação (32) e substituindo na equação (33) é obtido a matriz:

f

0

_{g−1 +}

h 0

_{g1 +}

h

0

_{g−1 +}

h 0

_{g1 −}

h

f  0

Resolvendo a equação (34) temos para o modo TM:

$T-S] 

O mesmo foi feito para o modo TE, componentes verticais 0_Q2! e ℎ_;2!, considerando 2  ]/2 e 2  −]/2, e fazendo a igualdade na interface a partir da Figura 2.2 fica para o meio 1 e 2, 2 e 3 respectivamente:

0Q]/2! → T`0Qab/  Tc0GZb/ + T0GZb/ (36)

ℎ;]/2! → T`GQ_YWXa0Qab/  _YWZ_X+Tc0GZb/+ T0GZb/. (37)

0Q−]/2! → Td0Qeb/  Tc0GZb/+ T0cGZb/ (38)

ℎ;−]/2! → Td_YWGQe_X0Qeb/ _YWZ_X+Tc0GZb/+ T0cGZb/. (39)

Assim isolando o termo T_` na equação (36) e substituindo na equação (37) e isolando o termo _Td na equação (38) e substituindo na equação (39) é obtido a matriz:

f

0

g−1 +

h 0

g1 +

h

0

_{g−1 −}

h 0

g1 −

h

f  0

Resolvendo a equação (40) temos para o modo TE:

$T-S] 

`gOa_jhgOe_jh (41)

A partir das equações (35) e (41), colocando ]  0 e levando em consideração um guia de onda que consiste de um metal, com uma permissividade complexa _k _kl + 5_kll!, e um dielétrico, com permissividade _b  _bl + 5_bll! é calculada a constante de propagação do modo guiado. O cálculo é feito com base na Figura 4 a seguir obtendo as seguintes equações para os modos TE e TM respectivamente:

$T-S0! 

`gOm_jhgOn_j h

→ 3

 −3

$T-S0! 

`oOmi*_imjpgOni*_injh

→

\m

 −

Qn

Figura 4 - Interface do meio 1 e 3.

Substituindo 3_b e 3_k obtemos as seguintes equações do modo TE e TM respectivamente [22]:

_b  _k (44)

6qr _{≅ St}\n\m

\nc\m (45)

A partir dessas equações é visto que o modo TE não possui as condições de contorno para obtenção da constante de propagação do modo guiado. Assim é demonstrado que o único modo que se propaga é o TM com a condição que _kl _{u −b}l. Essa condição é relevante para haver a excitação do sensor devido ao aparecimento da onda evanescente e consequentemente propagação do plasmon de superfície.

Para isso ocorrer é necessário saber o ângulo de incidência, v, do feixe de luz que fará o acoplamento com o plasmon de superfície, uma vez que a componente paralela do vetor de propagação da onda incidente deve igualar-se à constante de propagação da SPW, sendo 6qr _{essa constante de propagação,}

-w o índice de refração do meio incidente (prisma), temos

[22]:

6qr _{ -wSx5-v (46)}

A partir da equação e da Figura 1, feita a igualdade e com isso é obtido o ângulo de incidência para excitação do sensor que pode ser visto a seguir [22-24]:

É importante ressaltar que para cada índice refrativo existe um ângulo de incidência ótimo que pode ser calculado a partir da equação (47). Assim, sabendo o valor da permissividade do dielétrico pode ser obtido o ângulo de excitação ótimo para ocorrer a excitação da SPW.

Outro fator importante é a sensibilidade quando ocorre a excitação do sensor, que é calculada através da variação do ângulo de incidência em relação à variação do índice refrativo do dielétrico. O cálculo é feito a partir do índice efetivo do plásmon de superfície, -_({qr_{, e usando o perfil do índice de refração sem e com perturbação (mudança na constante de}

propagação) nas equações dos vetores de onda. Isto pode ser visto a partir das equações a seguir [22]:

-|}~  t_\\_nn_c\\m

m (48)

B_P**+ F − 6C ℎQ y\_{P P} ℎQ (49) B_P**+ F̅ − 6̅C ℎQ y\_{P P} ℎQ (50) em que as variáveis com barra indicam uma perturbação.

Com isso, subtraindo uma equação da outra e integrando pela seção do guia obtemos:

6

_{− 6̅}

_

‚ g_ƒ„ a_ihROR…Ob† (51)

Assim, através de manipulação e considerando -_b o índice do dielétrico sob análise, esta equação pode ser reescrita como:

Š-({ y‹Œ e

y_me Š- (52)

Substituindo o valor do -_({qr na equação 52 e derivando a equação 47, v, em relação ao -_({qr, chegamos em:

 y



\nŽ t\nŽ

É visto que a sensibilidade depende da permissividade do metal usado, do índice do dielétrico e do índice do prisma, sendo perceptível que conforme existam variações no dielétrico haverá alterações acentuada no ângulo de incidência de excitação da SPW pelo prisma.

Lembramos que nestes cálculos não é considerada a espessura do metal, havendo uma variação entre simulação e cálculo teórico para os valores de sensibilidade e ângulo ótimo de excitação.

2.3 Microfluídica

O sensor SPR mede a variação do índice refrativo devido à variação de certa substância ou concentração da mesma. Para haver esta variação é necessário um método que permita ao sensor interagir com a substância, partícula, líquido, entre outros. No caso deste trabalho, a análise é feita utilizando meios líquidos e a detecção dos mesmos pelo sensor SPR. Assim foi utilizada uma bomba peristáltica que injeta o líquido de uma seringa, através de um tubo até o microcanal, feito de Polydimethylsiloxane (PDMS) que leva o analito à superfície sensora do sistema. O líquido sai então do microcanal através de outro tubo e é despejado em um frasco, como pode ser visto na Figura 5.

O PDMS, material usado para a técnica de microfluídica, é moldado a partir uma pré-forma em SU-8. O processo se baseia primeiramente na deposição do SU-8 em um substrato de quartzo usando um spinner. Após isto, o SU-8 é aquecido para eliminação de solventes (Figura 6a), e em seguida é feita a exposição com luz ultravioleta através de uma máscara com a geometria do microcanal (Figura 6b). Após a revelação da pré-forma em SU-8 (Figura 6c), deposita-se aí o PDMS (Figura 6d) que após curado é removido e mantém a geométrica do microcanal. Por fim o PDMS é perfurado para o posicionamento dos tubos de entrada e saída do microcanal (Figura 6e). Assim é possível a passagem de fluídos a partir de uma estrutura flexível e de fácil manuseio. O microcanal fabricado em PDMS pode ser visto na Figura 6.

Normalmente a estrutura de PDMS possui uma entrada, onde é encaixado o tubo vindo pela bomba, ponte para passagem do líquido dentro do PDMS, ligado ao metal, e a saída, onde é encaixado outro tubo para descarte do líquido no frasco.

Figura 6 - Procedimento de fabricação de microcanais. a) deposição de SU-8 em cima do quartzo e aquecido em cima de um wafer. b) Fotomáscara é colocado em cima do SU-8 e quartzo e exposto a luz UV. c) Fotomáscara passou para o SU-8 que está em cima do quartzo. d) É colocado PDMS em cima do SU-8 junto com o quartzo e aquecido. e) PDMS é retirado do quartzo e é perfurado os canais para passagem do fluido.

Figura 7 - PDMS.

2.4 Componentes de um sensor plasmônico

O sensor plasmônico pode ser dividido em cinco componentes, sendo estes mencionados nas definições abaixo. Para o projeto é usado o método ATR, com isso a explicação dos componentes terá ênfase nesta técnica.

Laser: é a fonte de luz utilizada, que deve ser filtrada por um polarizador que

permitirá passar apenas a polarização P, correspondente à onda transversa magnética (TM) [25].

Prisma: é responsável pelo acoplamento da luz incidente no sensor plasmônico.

A onda de luz em ar não consegue excitar diretamente a SPW no filme de metal. Posicionando-o na base do prisma com índice de refração maior que o da amostra é possível realizar a excitação, lembrando que para isso é necessário um ângulo incidente que faça com que a componente paralela do vetor de onda da luz se iguale com a constante de propagação da SPW [25].

Metal: é composto por um filme de metal fino, usualmente prata ou ouro,

permitindo na interface com o meio dielétrico com que surja a SPW. É importante notar que a SPW absorve a energia da onda incidente, reduzindo a potência da onda refletida [25].

Dielétrico: é formado normalmente de alguma substância - água, ar, gás, entre

Estes analitos ou variação do meio fazem com que haja uma variação do ângulo de incidência ótimo para a excitação da SPW, que absorve energia e faz com que haja uma potência menor refletida na saída do prisma [25].

Fotodetector: monitora a potência da luz refletida na interface metálica do

prisma. Sabendo quanto de luz foi absorvida pela onda SPW, é possível determinar a interação biomolecular ou variação da substância passando pelo microcanal em PDMS. Sendo assim, quanto maior a absorção de luz, maior será a interação ou variação do índice refrativo do meio a ser caracterizado [25].

Os itens citados estão representados pela Figura 8.

Figura 8 - Componentes de um sensor plasmônico.

2.5 Funcionamento dos modelos de um sensor plasmônico

O sensor plasmônico possui diversas categorias, podendo ser dividido em três principais: acoplado por prisma, grade de difração ou guias de onda. Estes são brevemente descritos:

2.5.1 Acoplamento por prisma óptico

Este acoplamento, utilizado na técnica ATR e em particular a geometria de Kretschmann [27], tem se mostrado o mais apropriado para detecção e tornou-se assim, atualmente, a técnica mais usual em sensores plasmônicos. Possui as seguintes características: uma onda de luz que é totalmente refletida na interface entre o acoplador por prisma, que

possui um índice de refração maior que do dielétrico, e um filme de metal fino, ouro ou prata [28], com a espessura aproximadamente de 50nm. Com isso pelas condições de contorno do metal é gerado uma onda evanescente através do mesmo e assim excitando a onda de superfície do plasmon [11], existindo uma transferência de energia ressonante com a SPW. Conforme a variação dos parâmetros do dielétrico, muda o ângulo de incidência em que existe excitação da SPW, havendo absorção de energia. A parte refletida é captada por um detector, que faz a amostragem do sinal recebido. A partir do monitoramento do ângulo de excitação é possível determinar a interação biomolecular no dielétrico [21].

2.5.2 Acoplamento de grade

No método de acoplamento de grade o SPW é excitado através da difração na grade. A componente do vetor de onda da onda paralela à interface aumenta inversamente proporcional ao período da grade e pode ser assim combinado com a SPW [21]. Fundamentalmente a característica física da difração de grade é a modulação espacial do índice refrativo. Assim após a difração, a onda eletromagnética incidente da grade terá uma variação de amplitude, fase, ou os dois modificando o campo de uma forma padrão [29]. Assim, variando o índice refrativo, pode-se então detectar a interação biomolecular com as ondas refletidas através da grade e captadas por um detector.

2.5.3 Acoplamento de ondas guiadas ópticas

Esse método é similar ao do acoplamento de prisma, apesar de possuir diversas características que favorecem esta técnica. Uma das qualidades é o fato do guia possuir um único caminho para controlar a luz óptica no sistema do sensor, logo existe uma eficiência no controle da luz, supressão do efeito de luz difusa, entre outros. Outras qualidades são a dimensão reduzida do guia e a inexistência de turbulências, resultando em robustez. A excitação da SPW dentro do guia óptico é muito similar à de Kretschmann [9,30]. A onda de luz é guiada por um guia óptico e, entrando na região com um metal fino, a onda evanescente penetra através do filme de metal. Se a SPW e o modo do guia possuírem casamento de fase, a onda de luz então excita a SPW através das condições de contorno do metal[11].

A sensibilidade deste método é muito próxima teoricamente da configuração ATR [8].

Os três métodos são ilustrados na figura 9.

Figura 9 - Modelos de SPR: (a) acoplamento por prisma (b) acoplamento por guia e (c) acoplamento por grade de difração

2.6 Arduino

Para fazer a obtenção dos dados e amostragem do sinal em tempo real, em um computador, foi usado um Arduino. É uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e placa única. É constituído de componentes fixos podendo serem acoplados extensões, porém a base é constituída por um microcontrolador, uma entrada/saída, uma entrada serial e a linguagem programável em C/C++. É usado essencialmente devido ao baixo custo, pela flexibilidade e facilidade.

No projeto foi usado o Arduino UNO, que é composto por um microcontrolador ATmega328, possui 10bits de resolução, entradas e saídas embutidas, uma entrada USB-serial e a linguagem programável que é em C/C++.

Assim foi usado um Fotodetector para captação da reflexão de luz, sendo captado como tensão pela entrada analógica do Arduino. Após a entrada analógica o sinal passa por

um conversor A/D que converte a tensão captada pelo Arduino de 0 a 5V, analógica, para um nível de 0 a 1023, digital. Em seguida este sinal passa pela USB-serial e pode ser amostrado em uma interface programável, no caso foi usado o Matlab. A plataforma do Arduino pode ser vista na Figura 10.

3 PROJETO

Este projeto foi constituído por de três etapas. Primeiro, foram escolhidos os componentes que compõem a montagem do sistema, utilizando como base a literatura do método para escolha dos componentes corretos. Depois, foi implementada uma forma de aquisição de dados para verificação da simulação obtida. Por último foi elaborada a parte de microfluídica para variação de líquidos. Em cima do conjunto, da montagem do sistema, microfluídica e a parte de aquisição de dados, foram feitas as medidas teóricas, simulado em Matlab e por último comparação com os resultados da parte prática.

3.1 Montagem do sistema

A partir do método ATR escolhido, para excitação do plasmon de superfície, estudos e sabendo que é necessário um laser, um prisma, um metal, um dielétrico e um fotodetector, foram selecionados os seguintes elementos:

3.1.1 Laser

O laser usado é de 150 mW com um comprimento de onda de 660 nm. Como a intensidade da potência era muito alta, não era possível medir a variação do índice refrativo. Assim foi necessário o uso de dois atenuadores e um divisor polarizador para diminuição da potência, em mais de 70%, e consequentemente assim foi possível medir a reflexão de luz pelo fotodetector sem saturá-lo. Outro ponto que foi importante para o uso do divisor é a polarização do sistema, sendo necessário obter uma saída de uma onda transversa magnética (TM) para excitação da SPW. A montagem do laser, os dois atenuadores e o divisor podem ser vistos na Figura 11.

Figura 11 - Montagem do laser.

3.1.2 Conjunto do Prisma e Metal

A partir da literatura foi escolhido um prisma, cilíndrico com índice refrativo de -_w  1,518 e para ter maior aderência entre o metal e o prisma é necessário o uso de um óleo para microscopia, lembrando que este necessita ter o mesmo índice refrativo do prisma.

Para o metal foi usado um filme fino de ouro, de 50 nm de espessura e que possui uma permissividade de _{ +12.7 − 1.415 na frequência de operação, que é de 660 nm.}

Na Figura 12 a seguir é vista a montagem do conjunto.

3.1.3 Dielétrico

Para a mudança do dielétrico foi escolhida uma estrutura de PDMS por onde haverá a troca de fluídos. Assim foi analisada a amostra e verificado se realmente ocorreu a detecção da mesma. O PDMS foi anexado na parte dianteira do conjunto, prisma e metal, sendo fixado através da pressão do equipamento. Assim foi feito a vedação para não ocorrer vazamento dos líquidos. A estrutura pode ser vista na Figura 13.

Figura 12 - Conjunto do prisma com metal.

3.1.4 Fotodetector

Foi visto a partir da literatura quais fotodetectores eram usados e com isso a escolha para o projeto foi do modelo S5870, da Hamamatsu, que é um fotodetector com dois fotodiodos embutidos. Para a medida só foi necessário o uso de um fotodiodo.

Como o Fotodiodo foi ligado ao Arduino, o limite de tensão estabelecido foi de 5 V. Assim a sensibilidade se tornou alta e foi preciso usar atenuadores para diminuição de potência e um capacitor de tântalo para diminuir interferências, ruídos e estabilizar a tensão.

Assim foi feito um layout para o circuito do Fotodetector, mostrado na Figura 14, que foi posteriormente anexado a uma estrutura estável para captação da reflexão de luz do sistema, como visto na Figura 15.

3.2 Aquisição dos dados

Com o Arduino foi feito a parte de aquisição de dados do sistema e esta foi comparada com a simulação feita em Matlab. Para isso foi usado primeiramente uma fonte de luz de LED, de 10 W a uma distância do Fotodetector de 35 cm, o Fotodetector, um Arduino e um notebook. Após este teste foi feito a implementação em bancada, trocando a fonte de luz pelo laser, de 150 mW, atenuadores e splitter, e implementando o conjunto, de prisma, metal e PDMS. Sendo feito o teste com e sem PDMS, como também variando os líquidos.

Figura 15 - Fotodetector anexado na estrutura estável.

3.2.1 Teste com fonte de luz LED

Assim foi feito o teste com diferentes resistências de 1 kΩ, 10 kΩ e 150 kΩ, com o fotodetector S5870, diferentes capacitores de 0,1 µF e 15 µF, e a fonte do Arduino de 5 V, sendo visto que o primeiro bit no Arduino se movimenta com aproximadamente 5 mV de entrada. Foram feitos dois testes, sendo o primeiro a medição sem luz de LED e com luz ambiente e o segundo com luz de LED e com luz ambiente. O esquema geral pode ser visto nas Figuras 16 e na Figura 17.

Foi visto com a variação de resistências e capacitores qual a melhor opção de uso em bancada com o laser e o conjunto prisma, metal e PDMS. Sendo visto que uma resistência muito baixa não permite a detecção pelo Fotodetector, já que não chega à atingir uma tensão de 5 mV para movimentar o primeiro bit no Arduino. Como também foi analisado que uma

resistência muito alta faz o fotodetector saturar, chegando ao valor máximo de 5 V. Isto pode ser visto na Figura 18.

Figura 16 - Esquema geral do teste com a fonte de luz de LED.

Figura 17 - Montagem do teste com a fonte de luz de LED.

A variação dos capacitores demonstrou que uma capacitância maior faz a tensão ficar mais estável, suprimindo possíveis ruídos e interferências. Além de ter um compromisso

atual conveniente em termos de constante de tempo, que é de 2 s com a capacitância de 15 µF, porém limita a detecção automatizada podendo haver um futuro ajuste caso seja necessário.

Com os testes foi possível determinar que a resistência de 10 kΩ e o capacitor de 15 µF atingem o resultado esperado pelo fotodetector.

Figura 18 - Saturação do Fotodetector com resistência de 150kΩ.

3.2.2 Teste com laser

Primeiramente foi feito o teste com o laser e o conjunto do prisma e filme de ouro para analisar a reflexão de luz captada pelo fotodetector. Após este teste foi observado a resposta captada pelo Fotodetector junto com o laser, prisma, filme de ouro e PDMS. Por último foi feito o teste com diferentes líquidos. O esquema geral pode ser visto a partir das Figuras 19 e 20.

Figura 19 - Esquema geral do teste com o laser.

3.2.3 Teste de simulação no Matlab

Para este teste foi necessário o cálculo de reflexão de luz, que foi feito a partir da reflexão de Fresnel. Considerando uma onda plana incidente, a estrutura prisma, metal e dielétrico e um plano infinito y-z. Assim a amplitude da luz refletida é a seguinte [22,23]:

”#  • wkb•0–—”G (54)

Sabendo que S_GP é o coeficiente de absorção, _G– é o coeficiente de reflexão e q é a espessura do metal é possível determinar a amplitude de reflexão _wkb. Lembrando que 5 ou ˜ podem ser 4 (prisma),  (metal) ou ] (dielétrico). Isto pode ser visto nas equações a seguir:

wkb



S

 tg

h

− S

G–



Com isso foi possível definir a refletância da luz,

_R

/  • wkb• (58)

Com isso foram feitos os cálculos em Matlab para cada dielétrico, no caso para o ar, água, álcool isopropílico e etanol. Em seguida foram realizadas as simulações, de reflexão de luz versus a variação do ângulo de incidência de 0 a 90°. observando em qual ângulo existe a ressonância do plasmon de superfície. Estes resultados foram comparados posteriormente com os testes em laboratório.

É visto também na parte teórica que na curva de excitação, antes de ocorrer a ressonância do plasmon de superfície, é atingido um pico que é denominado como ângulo crítico (v _#G). Isto ocorre quando existe reflexão interna total, ou seja, o índice de refração do prisma (-_w) é maior que do dielétrico (-_b) e seria necessário que o seno do ângulo de refração seja maior que um, porém isto não é possível. Assim o ângulo crítico ocorre quando o seno, do meio com índice refrativo menor, é um. Sendo assim o cálculo foi feito em Matlab para posteriormente ser comparado com o simulado e o prático. A equação para obter o ângulo crítico pode ser vista a seguir:

v #G  T ¡x5-y_ym_z (59)

Outro ponto realizado foi o cálculo em Matlab da sensibilidade. Assim, a partir da variação do índice refrativo, pode ser analisada qual a variação da sensibilidade e com isso fazer a comparação entre o simulado e o teórico, citado anteriormente.

3.2.1 Teste para adulteração do Etanol

Por último foi implementado um teste que consiste na adição de porcentagens de água em uma determinada quantidade de etanol para verificar a variação do índice refrativo, a sensibilidade do sensor SPR e possível aplicação futura para detecção de adulteração em combustíveis.

Inicialmente foi feito o teste com 50% de etanol e 50% de água. Em seguida foram feitos os mesmos testes com as porcentagens de 40%, 30%, 20% e 10% de água em um recipiente que continha etanol.

Para verificação da resposta, foi calculada em Matlab a sensibilidade a partir da variação da porcentagem e obtendo a permissividade de ressonância. A equação para cálculo da permissividade de ressonância pode ser visto na equação a seguir:

#N¢¢£yây G¥  %á ££+á ££− ᨩ¥. + ᨩ¥ (60)

Este valor é inserido na equação de reflexão da luz, como citado no item 2.3.2, sendo obtido um gráfico de reflexão de luz versus ângulo incidente. Assim, pode ser captado o ângulo de ressonância como sendo a mínima reflexão de luz vista no gráfico. Com isso é feito a comparação entre simulado e medido em bancada.

Para obtenção da sensibilidade é feita uma varredura de 0 a 100% de etanol, obtendo-se um gráfico do ângulo de ressonância de cada valor versus o respectivo índice refrativo. A partir disso é calculada a tangente da reta, obtendo-se assim a sensibilidade do sistema.

Com isso foram feitas as medidas em bancada e posteriormente comparadas com o calculado para as porcentagens de 10, 20, 30, 40 e 50% de água misturados com etanol.

4 RESULTADOS

Foram feitas simulações, com os cálculos feitos em Matlab, para obtenção da curva da ressonância do plasmon de superfície e testes em laboratório. Após os resultados obtidos para as diferentes substâncias, ar, água, álcool isopropílico e etanol, foram feitas as comparações entre o simulado, calculado e o medido.

4.1 Simulações

Primeiramente foi feito a simulação para o ar, verificando se a curva era compatível com a parte teórica já vista. Após a comparação foram feitas as mesmas simulações para a água, álcool isopropílico e etanol. São vistas no gráfico as quatro curvas juntas, verificando-se a variação da característica de curvas entre elas. Em seguida estas simulações foram comparadas à parte prática para os quatro elementos. Podem ser vistos na Figura 21 os resultados da simulação com as quatro curvas.

É visto que na excitação do plasmon de superfície, para o ar, o ângulo ótimo é de 43,5430° e para substâncias com índice de refração maior o ângulo aumenta. Isto foi comprovado com a mudança de substâncias usadas, como água que é de 71,0930°, do álcool isopropílico que é de 78,5870° e do etanol que é de 75,5320°. Também foi analisado que conforme o aumento do índice refrativo, existe um alargamento da faixa dos ângulos de excitação e menor absorção de energia no ângulo ótimo. Outro ponto visto é o ângulo crítico, que mesmo com o índice de refração maior, é possível ser visualizado em todas as curvas.

4.2 Medidas

Os testes no laboratório foram feitos primeiramente com o ar, sendo feito sem e depois com PDMS, para obtenção do ângulo ótimo para ocorrer a ressonância do plasmon de superfície. Após este teste foram feitos os mesmos com água, álcool isopropílico e etanol. Para o ar, água, álcool isopropílico e etanol, o teste de medição foi feito de 1 em 1° manualmente por um parafuso preso na base rotativa apenas para a faixa aproximada de excitação do plásmon de superfície.

Para não haver interferência de luz ambiente captada pelo Fotodetector, foi necessário que todos os testes fossem no escuro, sendo os resultados posteriormente comparados com o simulado. Assim pode ser visto na Figura 22 o esquema geral medido no escuro, nas Figuras 23 a 26 a medição do ar (com e sem o canal de PDMS), água, álcool isopropílico e etanol, respectivamente.

É analisado que com a adição do PDMS existe uma menor absorção de energia pela SPW. Isto pode ocorrer devido a falta de contato entre metal e PDMS ou a existência de impurezas na superfície do metal. É visto também, que conforme se chega perto de 80-90°, nos casos da água, álcool isopropílico e etanol, existe uma distorção na captação dos valores de tensão devido à proximidade da borda do prisma. Consequentemente, foi determinado uma faixa para aquisição dos dados, até ocorrer a distorção, sendo limitado no máximo até 80°.

Figura 22 - Esquema geral no escuro.

Figura 26 - Medição para o etanol.

4.3 Comparações

Os resultados medidos e simulados foram então comparados entre si para cada substância. Além disso foi comparado com a teoria se as curvas de excitação condizem com o simulado e medido.

Primeiramente foi feito a comparação entre o simulado e medido com o ar sem PDMS, verificando se a curva inicial obtida coincide com o teórico e simulado. Em seguida foi feito o teste com PDMS, mas permanecendo com a substância, ar. Após a confirmação que os resultados eram coerentes, foram implementados os testes com a água e álcool isopropílico. Notamos que para os cálculos e simulações não foi levada em conta a presença do microcanal de PDMS.

Outro ponto que deve ser levado em consideração é a normalização de um valor como reflexão total. Assim podendo comparar o medido com o simulado e teórico, já que a

medida captada pelo Arduino é em tensão e não em termos de reflexão. Assim foi adotada para a medida do ar sem PDMS o valor máximo de reflexão como sendo aproximadamente de 3,47 V, com PDMS como sendo aproximadamente 3,32 V. Para a água como sendo aproximadamente 3,20 V, para o álcool isopropílico de aproximadamente 3,70 V e por último para o etanol sendo de aproximadamente 3,40 V, ou seja, em todos os valores normalizados foram escolhidos os ângulos críticos, isto é, ângulos de reflexão interna total da substância usada.

É visto na Figura 27 a seguir os dados medidos com ar e sem PDMS na faixa de 30-60°. Com isso, foram extraídos os dados do ângulo ótimo e estes comparados entre si, como visto na tabela 1.

Figura 27 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para o ar sem PDMS.

Tabela 1 - Comparação das medidas adquiridas sem PDMS.

Calculado Simulado Medido Ângulo ótimo 43,3612° 43,5430° 44°

Pode ser visualizado que a ressonância do plasmon de superfície ocorre para o medido em 44°. Para o simulado em 43,5430° e calculado foi em 43,3612°. Assim existe uma diferença menor que 1° entre eles. Também é visto que a tensão diminui aproximadamente em 30% do valor inicial quando ocorre a excitação do plasmon, já no calculado e medido diminui em 90%. O mesmo teste foi feito usando PDMS. Pode ser verificado a comparação das curvas do simulado e medido na Figura 28 e a do ângulo ótimo na tabela 2 a seguir na faixa de 30-60°.

Figura 28 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para o ar com PDMS.

Tabela 2 - Comparação das medidas adquiridas com PDMS.

Calculado Simulado Medido Ângulo ótimo 43,3612° 43,5430° 44°

Foi verificado que a ressonância do plasmon de superfície ocorre para o medido em 44°. Para o simulado é de 43,5430° e calculado é de 43,3612°. Assim existe uma diferença menor que 1° entre eles. Outro ponto visto é que a tensão diminui aproximadamente em 15% em relação ao valor inicial, quando ocorre a excitação do plasmon. Já no calculado e medido diminui em 90%.

Outro ponto verificado comparando os valores com e sem PDMS é que sem PDMS ocorre uma diminuição de tensão, quando ocorre a excitação. Verificando que com PDMS a diminuição é de 30% do valor inicial e sem PDMS é de 15%. Isso demonstra que o PDMS deixa a excitação do sensor menos sensível, podendo ser devido à falta de aderência entre PDMS e metal ou impurezas no metal.

O próximo teste foi a implementação de água fluindo no microcanal. Pode ser visto a comparação das curvas entre simulado e medido na Figura 29 e a do ângulo ótimo na tabela 3 a seguir na faixa de 50-80°.

Tabela 3 - Comparação das medidas adquiridas com água.

Calculado Simulado Medido Ângulo ótimo 71,1523° 71,0930° 71°

Foi verificado que a ressonância do plasmon de superfície ocorre para o medido em 71°. Para o simulado é de 71,0930° e calculado foi em 71,1523°. Assim existe uma diferença menor que 0,25° entre eles. Outro ponto visto é que a tensão diminui aproximadamente em 20% em relação ao valor inicial, quando ocorre a excitação do plasmon. Já no calculado e medido diminui em 90%.

No terceiro teste foi feita a mudança do líquido para álcool isopropílico fluindo no microcanal. Pode ser analisado a comparação entre as curvas do simulado e medido na Figura 30 e a do ângulo crítico e ótimo na tabela 4 a seguir na faixa de 50-80°.

Tabela 4 - Comparação das medidas adquiridas com álcool isopropílico.

Calculado Simulado Medido Ângulo ótimo 79,3536° 78,5870° 78°

É visto que a ressonância do plasmon de superfície ocorre para o medido em 78°. Para o simulado é de 78,5870° e calculado em 79,3536°. Assim existe uma diferença menor que 1,5° entre eles. Outro ponto visto é que a tensão diminui aproximadamente em 23% em relação ao valor inicial, quando ocorre a excitação do plasmon. Já no calculado e medido diminui em aproximadamente 80%.

No quarto teste foi feito a variação do líquido para etanol fluindo no PDMS. Pode ser analisado a comparação entre as curvas do simulado e medido na Figura 31 e a do ângulo crítico e ótimo na tabela 5 a seguir na faixa de 50-80°.

Tabela 5 - Comparação das medidas adquiridas com etanol.

Calculado Simulado Medido Ângulo ótimo 75,9391° 75,5320° 75°

É visto que a ressonância do plasmon de superfície ocorre para o medido em 75°. Para o simulado é de 75,5320° e calculado em 75,9391°. Assim existe uma diferença menor que 1° entre eles. Outro ponto visto é que a tensão diminui aproximadamente em 20% em relação ao valor inicial, quando ocorre a excitação do plasmon. Já no calculado e medido diminui em aproximadamente 80%.

Feita a comparação entre líquidos é observado que a água, o álcool isopropílico e etanol possuem uma curva característica e queda de tensão, no momento da excitação, semelhante. É visto também que a queda para ocorrer a ressonância é mais demorada em relação ao ar. Além disso, é visto que existe uma variação maior no ângulo crítico, entre medido e simulado, conforme existe um aumento do índice refrativo. Mas como o necessário para medição é a captação da curva de ressonância, este desvio não acarretou na obtenção e comparação dos dados já que o sensor é bem linear no momento da ressonância. Lembrando que todas as curvas simuladas foram baseadas em uma onda plana, não levando em consideração por exemplo o spot do laser ou dispersão de luz. Com isso, a variação entre a curva simulada e medida é prevista.

4.4 Cálculo da Sensibilidade e Resolução

Foi feito o cálculo da sensibilidade para todos os casos para analisar qual substância é a menos sensível do sistema. Com base nesta informação foi feito o cálculo da sensibilidade do sistema pela teoria e pela simulação. Assim, a partir da Sensibilidade, levando em consideração a limitação de 0,2° da parte mecânica, é obtido a resolução do sistema.

Primeiramente foi feita a simulação da sensibilidade, a partir da equação de Fresnel, e em seguida foi feito a simulação da resolução, com os dados obtidos da sensibilidade e sabendo da limitação angular da base rotativa. Assim considerando a variação do índice refrativo do ar, que é o menor, até o do álcool isopropílico, maior, podem ser vistas

as simulações nas Figura 32 e 33. Com isso foi feito a comparação com os valores teóricos que podem ser vistos na tabela a seguir:

Tabela 6 – Análise da substância com menor Sensibilidade.

Sensibilidade Ar Água Álcool

isopropílico Etanol Teoria 58,4934°/RIU 147,7041°/RIU 280,1721°/RIU 202,1847°/RIU

Simulação 59,2000°/RIU 136,5000°/RIU 210,5000°/RIU 172,6000°/RIU

É visto que o ar possui a menor sensibilidade. Com isso pode ser observado, a partir da limitação mecânica, que a maior resolução do sistema incluindo todas as substâncias é: para a teoria, que não inclui a espessura do metal, de 3,42x10d/«¬ e para a simulação, que inclui a espessura do metal, de 3,378x10d/«¬.

Figura 33 – Simulação da Resolução para todas substâncias.

A maior sensibilidade vista é a do álcool isopropílico, logo, com a menor resolução, sendo para a teoria de 7,14 × 10 e para a simulação de 9,5 × 10.

É visto pela literatura [11, 26] que é possível a construção de sensores com resolução da ordem de 1 x 10/«¬ até 1 x 10­/«¬ dependendo da complexidade da montagem experimental, demonstrando que o sensor usado no projeto está dentro da faixa usada atualmente em sensores SPR.

4.5 Testes da Adulteração do Etanol

Os resultados medidos e simulados foram então comparados entre si para as devidas porcentagens de água adicionadas ao etanol. Além disso foi feito o cálculo da sensibilidade do sistema e medida na mão dos valores mínimos captados para cada porcentagem. Assim, pode ser visto na Figura 34 a variação de porcentagens de água no etanol simuladas:

Figura 34 – Simulação das porcentagens de água em etanol.

Após a simulação de todas as porcentagens foi feito o primeiro teste para 50% e em seguida para 40%, 30%, 20% e 10% de água no etanol. Estes foram então comparados com a simulação sendo visto na Figuras 35 a 39 e na tabela 7.

Tabela 7 - Comparação das medidas adquiridas com porcentagens de água em etanol.

Volume de água

na mistura Ângulo ótimo simulado Ângulo ótimo medido

50% 73,194° 73,5°

40% 73,640° 74,0°

30% 74,096 74,5°

20% 74,562° 74,8°

Figura 35 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para 50% de água no etanol.

Figura 37 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para 30% de água no etanol.

Figura 39 – Comparação entre a medida em bancada e o simulado para 10% de água no etanol.

Com isso é possível verificar que as medidas captadas são bem similares aos simulados tendo uma variação menor que 0,5°, o que mostra que existe uma sensibilidade considerável na necessidade de medidas precisas.

Após estas comparações, para obtenção de maior precisão, buscou-se manualmente minimizar a reflexão através do ajuste do ângulo de incidência. Isto foi feito para cada porcentagem e o resultado comparado com o simulado, podendo ser visualizado na tabela 8.

Vemos que existe uma precisão maior, sendo feito manualmente o processo até se obter o ângulo mínimo, em vez de captar os valores de 0,5 em 0,5°. Também é visto que a variação entre porcentagens é de aproximadamente 0,40° tanto para o simulado como para o manual, demonstrando uma linearidade do sensor.

Tabela 8 – Tabela dos valores mínimos de ressonância captados à mão e comparados com a simulação.

% de Água no

etanol Simulado Medido Ângulo ótimo(50%) 73,1940° 73,4170° Ângulo ótimo(40%) 73,64° 73,8333° Ângulo ótimo(30%) 74,0960° 74,2500° Ângulo ótimo(20%) 74,5620° 74,6667° Ângulo ótimo(10%) 75,0410° 75,0000°

Após este teste, foi feito a simulação em Matlab para obtenção da curva de sensibilidade em relação a fração de água adicionada e consequentemente da resolução do sensor levando em consideração o limite mecânico de 0,2°. As Figuras 40 e 41 podem ser vistas a seguir.

Figura 41 – Curva de resolução.

A partir das Figuras é visto que a sensibilidade aumenta conforme o aumento da porcentagem de etanol, aumento do índice refrativo, e diminuição da porcentagem de água. Outro ponto verificado é que com o aumento da porcentagem do etanol terá consequentemente uma resolução resultante menor.