Uso do Grafeno no Aumento de Sensibilidade Para Sensores de Ressonância de Plásmons de Superfície: Estudo Computacional e Plataforma de Testes

Abstract

Os sensores biomédicos são dispositivos de pequena dimensão, alta sensibilidade, descartáveis, com resposta rápida em tempo real e usam pressuposto que pequenas mudanças no analito podem gerar grandes mudanças na resposta do sensor. Os sensores ópticos, que utilizam o fenômeno da ressonância de plásmons de superfície (Surface Plasmon Resonance, RPS), englobam essas características. Este estudo representa a continuidade de trabalhos desenvolvidos pelo Grupo de Sensores e Biossensores Ópticos (GSBiO) do Instituto Federal da Paraíba (IFPB). São propostas simulações de parâmetros variados, como a espessura do filme fino metálico e o comprimento da região sensora em uma porção central de uma fibra óptica. Com base nessas simulações, são verificadas as seguintes métricas de desempenho: sensibilidade, largura total à meia altura (Full Width at Half Maximum ou FWHM), figura de mérito (Figure of Merit, FOM) e relação sinal-ruído (Signal-to-Noise Ratio, SNR). O objetivo aqui é realizar uma análise comparativa dos sensores simulados e selecionar os de desempenho superior para a posterior confecção. Uma plataforma de testes que contemple os modos de interrogação angular (Angular Interrogation Mode, AIM) e espectral (Wavelength Interrogation Mode, WIM) foi elaborada para os testes dos sensores. Além disso, é realizado um estudo computacional acerca da influência da adição de camadas de grafeno sobre os filmes finos metálicos analisados (prata, ouro, cobre, prata + ouro e prata + cobre), com o qual é observado o aumento do desempenho do sensor com a adição das camadas de grafeno. Os resultados computacionais mostram que as métricas foram aprimoradas com a deposição das camadas de grafeno. No sensor de ouro é obtido um aumento de sensibilidade de quase 60% quando são adicionadas 17 ou 18 camadas de grafeno. Para o sensor de prata, também é alcançado um aumento na sensibilidade de mais de 1.200 nm/UIR, quando a prata é coberta com 19 ou 20 camadas de grafeno. O sensor de cobre teve um aumento na sensibilidade de aproximadamente 60%, quando são adicionadas 16 camadas de grafeno. Os sensores baseados em Ag + Au e Ag + Cu também tiveram suas métricas aprimoradas. A síntese do grafeno também é investigada neste trabalho, para a futura confecção de sensores ópticos RPS. Foi realizada a síntese do grafeno em laboratório com sucesso, sendo necessária a deposição do mesmo na fibra óptica para posterior validação dos resultados computacionais.