Estudo computacional e caracterização de biochip em fibra óptica baseado na ressonância de plásmons de superfície

Abstract

O trabalho apresenta um estudo computacional e caracterização de um biochip em fibra óptica baseado na ressonância de plásmons de superfície. Como substrato do biochip é considerada uma fibra óptica plástica multimodo de índice degrau com 2,0 mm de diâmetro. Foi desenvolvido um programa computacional empregando o método da matriz para sistemas multicamadas, assumindo-se uma faixa do espectro eletromagnético entre 400 nm e 1000 nm. Foi analisado o efeito de diversos fatores nos parâmetros de desempenho do biochip, como escolha da espessura e material do filme fino metálico, comprimento da região sensora, profundidade de recorte e formato da região sensora. Foi examinado, ainda, o impacto provocado pela deposição de camadas de grafeno sobre o filme fino metálico, de modo a possibilitar a escolha de um sensor otimizado. Os parâmetros de desempenho calculados são sensibilidade, largura total à meia altura, figura de mérito e relação sinal-ruído. Ademais, também são analisadas as curvas de reflectância e potência transmitida normalizada, bem como a distribuição do campo elétrico no interior do biochip para diferentes modos de propagação. Foi investigado o desempenho de três filmes finos metálicos (prata, ouro e cobre) e três estruturas diferentes para biochip: (1) convencional, com região sensora em uma porção central da fibra; (2) região sensora localizada em uma das extremidades da fibra óptica; e, (3) biochip em formato de “D”. Os resultados desse estudo revelam uma maior sensibilidade para o filme fino de prata (4260,9 nm/UIR) e melhor desempenho para a estrutura convencional com menor comprimento para região sensora, com os seguintes valores para os parâmetros de desempenho estudados (figura de mérito - 295,83 UIR􀀀1, relação sinal-ruído - 0,59 e largura total à meia altura - 14,40 nm). Em relação à deposição de grafeno, foi observado um aumento da sensibilidade, atingindo o valor de 7081,42 nm/UIR para um filme fino de prata com 40 nm de espessura e 16 camadas de grafeno. Também foi notado um aumento da intensidade de campo elétrico e uma maior penetração do mesmo no analito de interesse ao considerar a deposição de grafeno.