Avaliação computacional de sensores ópticos baseados na espectroscopia de plásmons de superfície localizada em nanopartículas metálicas: considerações sobre a sensibilidade e o fator de qualidade

Abstract

Este trabalho propõe a análise computacional de sensores ópticos que utilizam o fenômeno da Ressonância de Plásmons de Superfície Localizada (LSPR, do inglês Localized Surface Plasmon Resonance), com ênfase no estudo das propriedades ópticas de nanopartículas metálicas de ouro com diferentes dimensões. É realizada uma investigação numérica para obter a contribuição dos coeficientes de espalhamento, extinção e absorção, em função da dimensão (raio) da nanopartícula. Além disso, como as nanopartículas são sensíveis à variação do índice de refração do meio onde elas estão inseridas, este trabalho objetiva obter um modelo teórico que aponte os valores de sua permissividade elétrica relativa e efetiva, sendo esta última uma constante que considere as nanopartículas e o meio como uma única solução, indicando, ainda, a fração de volume das nanopartículas metálicas presentes na solução. Para as simulações realizadas, considera-se que o sensor LSPR opera no modo de interrogação espectral (WIM, do inglês Wavelength Interrogation Mode). Os resultados obtidos são discutidos e comparados com os existentes na literatura, em termos de parâmetros como sensibilidade, largura total à meia altura (FWHM, do inglês Full Width at Half Maximum) e pico da curva de absorbância de um sensor LSPR. Inicialmente, foi analisada a influência do raio da nanopartícula observando-se variações na sensibilidade entre 960 e 1080 nm/RIU, com fatores de qualidade variando entre 22 e 32, a depender do índice de refração do meio. Em seguida, foi considerada a influência da fração de volume na configuração do meio efetivo para partículas de 20 e 50 nm. Embora as alterações nas curvas de reflectância tenham sido sutis, valores mais elevados de fração de volume (𝑓𝑣 = 0,14) intensificaram a interação plasmônica e apresentaram sensibilidade média de 900 nm/RIU e fator de qualidade variando entre 22 e 25,5. Esses achados reforçam o papel das simulações teóricas na previsão e otimização do desempenho óptico de sensores LSPR, contribuindo para o avanço no desenvolvimento de dispositivos compactos, sensíveis e ajustáveis às diferentes aplicações.