p (PhysOrg.com) - Capacidades técnicas altamente cobiçadas, como a observação de processos catalíticos únicos em nanorreatores, ou a detecção ótica de baixas concentrações de agentes bioquímicos e gases são um passo importante mais perto da fruição. Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (DOE) (Berkeley Lab), em colaboração com pesquisadores da Universidade de Stuttgart, na Alemanha, relatar a primeira demonstração experimental de detecção de gás aprimorada por antena no nível de partícula única. Ao colocar uma nanopartícula de paládio na ponta de foco de uma nanoantena de ouro, eles foram capazes de detectar claramente mudanças nas propriedades ópticas do paládio após a exposição ao hidrogênio. p "Demonstramos a detecção de hidrogênio de partícula única aprimorada por antena ressonante na região visível e apresentamos uma abordagem de fabricação para o posicionamento de uma única nanopartícula de paládio no nanofoco de uma nanoantena de ouro, "diz Paulo Alivisatos, Diretor do Berkeley Lab e líder desta pesquisa. "Nosso conceito fornece um projeto geral para amplificar os sinais de detecção plasmônica no nível de uma única partícula e deve abrir o caminho para a observação óptica de reações químicas e atividades catalíticas em nanorreatores, e para biossensorio local. "

p Alivisatos, que também é o professor de nanotecnologia Larry e Diane Bock da Universidade da Califórnia, Berkeley, é o autor correspondente de um artigo na revista Materiais da Natureza descrevendo esta pesquisa. O artigo é intitulado "Sensor de gás aprimorado por nanoantena em um único nanofoco sob medida." A co-autoria do artigo com Alivisatos foi Laura Na Liu, Ming Tang, Mario Hentschel e Harald Giessen.

p Um dos mais novos campos da tecnologia hoje é a plasmônica - o confinamento de ondas eletromagnéticas em dimensões menores que a metade do comprimento de onda dos fótons incidentes no espaço livre. Normalmente, isso é feito na interface entre nanoestruturas metálicas, geralmente ouro, e um dielétrico, geralmente ar. O confinamento das ondas eletromagnéticas nessas nanoestruturas metálicas gera ondas de superfície eletrônicas chamadas de "plasmons". Uma correspondência da frequência de oscilação entre os plasmons e as ondas eletromagnéticas incidentes dá origem a um fenômeno conhecido como ressonância plasmônica de superfície localizada (LSPR), que pode concentrar o campo eletromagnético em um volume inferior a algumas centenas de nanômetros cúbicos. Qualquer objeto trazido para este campo confinado localmente - conhecido como nanofoco - influenciará o LSPR de uma maneira que pode ser detectada por meio de microscopia de campo escuro.

p "Nanofocagem tem implicações imediatas para a detecção plasmônica, "diz Laura Na Liu, autor principal do artigo da Nature Materials que, na época, o trabalho era membro do grupo de pesquisa da Alivisatos, mas agora trabalha na Rice University. "Nanoestruturas metálicas com cantos afiados e bordas que formam uma ponta pontiaguda são especialmente favoráveis ​​para a detecção plasmônica porque as intensidades do campo das ondas eletromagnéticas são fortemente aumentadas em um volume de detecção extremamente pequeno."

p O sensoriamento plasmônico é especialmente promissor para a detecção de gases inflamáveis, como hidrogênio, onde o uso de sensores que requerem medições elétricas representam problemas de segurança devido à ameaça potencial de faíscas. Hidrogênio, por exemplo, pode inflamar ou explodir em concentrações de apenas quatro por cento. O paládio foi visto como o principal candidato para o sensor plasmônico de hidrogênio porque ele absorve rápida e prontamente o hidrogênio que altera suas propriedades elétricas e dielétricas. Contudo, os LSPRs de nanopartículas de paládio produzem perfis espectrais amplos que tornam a detecção de mudanças extremamente difícil.

p "Em nosso esquema de antena ressonante aprimorada, usamos litografia de feixe de elétrons duplo em combinação com um procedimento de double lift-off para posicionar com precisão uma única nanopartícula de paládio no nanofoco de uma nanoantena de ouro, "Liu diz." Os campos próximos de plasmon com partículas de ouro fortemente aprimoradas podem sentir a mudança na função dielétrica da nanopartícula de paládio proximal à medida que ela absorve ou libera hidrogênio. A luz espalhada pelo sistema é coletada por um microscópio de campo escuro com espectrômetro conectado e a alteração LSPR é lida em tempo real. "

p Alivisatos, Liu e seus co-autores descobriram que o efeito de aprimoramento da antena poderia ser controlado alterando a distância entre a nanopartícula de paládio e a antena de ouro, e alterando a forma da antena.

p "Ao amplificar os sinais de detecção no nível de uma única partícula, eliminamos as características estatísticas e médias inerentes às medições de conjunto, "Liu diz." Além disso, nossa técnica de detecção plasmônica aprimorada por antena compreende um esquema não invasivo que é biocompatível e pode ser usado em ambientes aquosos, tornando-o aplicável a uma variedade de materiais físicos e bioquímicos. "

p Por exemplo, substituindo a nanopartícula de paládio por outros nanocatalisadores, como o rutênio, platina, ou magnésio, Liu diz que o esquema de detecção plasmônica aprimorada por antena pode ser usado para monitorar a presença de vários outros gases importantes além do hidrogênio, incluindo dióxido de carbono e óxidos nitrosos. Esta técnica também oferece uma alternativa de detecção plasmônica promissora para a detecção fluorescente de catálise, que depende da tarefa desafiadora de encontrar fluoróforos apropriados. A detecção plasmônica intensificada pela antena também tem potencial para a observação de eventos químicos ou biológicos únicos.

p "Acreditamos que nossa técnica de detecção aprimorada por antena pode servir como uma ponte entre a plasmônica e a bioquímica, "Liu diz." O sensoriamento plasmônico oferece uma ferramenta única para sondar opticamente os processos bioquímicos que são opticamente inativos na natureza. Além disso, uma vez que as nanoestruturas plasmônicas feitas de ouro ou prata não branqueiam ou piscam, eles permitem a observação contínua, uma capacidade essencial para o monitoramento in situ do comportamento bioquímico. "