Nanopartículas plasmónicas

Les nanopartículas plasmónicas són partícules metàliques de dimensions nanométricas, la densitat electrònica de les quals pot acoplar-se en la radiació electromagnètica (llum) de certa llongitut d'ona, per la naturalea de l'interfaç metal-dielèctric entre el mig i les partícules. L'interacció de la llum en les partícules metàliques es deu a un fenomen cridat resonància de plasmón de superfície localisat, és dir , l'extensió del camp electromagnètic evanescente que resulta major en certs punts sobre la superfície de la partícula. Per mig d'este fenomen els electrons lliures de cada partícula metàlica rodegen a la nanopartícula produint un núvol electrònic en el seu entorn. Quan la radiació electromagnètica incidix sobre les nanopartículas, la seua camp elèctric trasllada als electrons de la seua posició inicial als extrems de la nanopartícula, presentant una càrrega positiva d'un costat i una càrrega negativa de l'atre. Açò produïx un nou camp elèctric en direcció oposta de la radiació electromagnètica, causant oscilacions sobre el núvol electrònic de la nanopartícula, cridada condició de resonància.

Les nanopartículas d'or i argent són un gran eixemple en propietats òptiques úniques. El color intens de les suspensions de nanopartículas d'or i argent es deu a este tipo de propietats. Esta coloració resulta de l'excitació colectiva d'electrons de conducció de les nanopartículas, cridats plasmones de superfície localisat, per l'incidència en llum de certa llongitut d'ona. Des de l'antiguetat els romans han utilisat esta propietat donant-li color al vidre, un clar eixemple és la copa de Licurgo, la qual està feta de vidre de sodi i calci que comprén nanopartículas d'or i argent. La copa presenta naturalment un color vert, pero quan la llum a travesser el vidre, canvia a un color roig intens per l'acció de la llum en les nanopartículas.

Teoria

Les equacions cuasiestáticas que descriuen les seccions travesseres de dispersió i absorbancia per a nanopartículas esfèriques molt chicotetes són:

${\sigma }_{\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{p}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{n}}=\frac{8\pi }{3}{k}^4{R}^6{\left|\frac{{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}}-{\epsilon }_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{o}}}{{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}}+2{\epsilon }_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{o}}}\right|}^2$

${\sigma }_{\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{s}}=4\pi k{R}^3\mathrm{Im}\left|\frac{{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}}-{\epsilon }_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{o}}}{{\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}}+2{\epsilon }_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{o}}}\right|$

$k={\surd \epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}}\frac{\omega }{ℂ}$

On ${\sigma }_{\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{s}\mathrm{p}\mathrm{e}\mathrm{r}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{o}\mathrm{n}}$ es definix com la velocitat a la que la partícula dispersa l'energia òptica, ${\sigma }_{\mathrm{a}\mathrm{b}\mathrm{s}}$es definix com la velocitat a la que la partícula absorbix l'energia òptica, $k$ és el número del camp elèctric, $R$ és el radi de la partícula, ${\epsilon }_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{o}}$ és la permitividad relativa del mig dielèctric i ${\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}}$ és la permitividad relativa del nanopartícula definit per

${\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}}=1-\frac{{\omega }_{\mathrm{p}}^2}{{\omega }^2+\mathrm{i}\omega \gamma }$

${\omega }_{\mathrm{p}}=\surd 3{(\omega }_{res})$

conegut com el Model de Drude per als electrons lliures on ${\omega }_{\mathrm{p}}$ és la freqüència del plasma dels electrons lliures de conducció ,$\gamma$ és la freqüència de relaixació dels portadors de càrrega, $\omega$ és la freqüència de la radiació electromagnètica, i ${\omega }_{res}$ és la freqüència clàssica del plasmón de superfície. Esta equació és el resultat de solucionar l'equació diferencial per a un oscilador harmònic en una força de motriu proporcional al camp elèctric al que està subjecta la partícula. Per a una derivació més completa, vore el plasmón de superfície.

Prenent en conte la teoria de Mie per a poder descriure l'absorció de la llum per a nanopartículas esfèriques molt chicotetes per mig de la permitividad relativa ${\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}}$ dopat en un mig en la permitividad relativa del dielèctric (${\epsilon }_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{o}}$), dita freqüència de resonància es pot predir quan

${\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}}=-2{\epsilon }_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{o}}$

És possible deduir les condicions de resonància per a estes equacions quan s'alcança un valor aproximat de zero , com

${\epsilon }_{\mathrm{p}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{t}\mathrm{i}\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{l}\mathrm{a}}+2{\epsilon }_{\mathrm{m}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{o}}\approx 0$

Quan es complix esta condició, la secció travessera és el seu màxim.

Estes seccions travesseres són per a partícules esfèriques, o quan s'acoplen a 1 o més partícules que formen dímers, com quan canvia la seua geometria. Este principi és important per a vàries aplicacions.

Aplicacions

Celes solars plasmónicas

Per la seua capacitat de dispersar la llum novament dins de l'estructura fotovoltaica i la baixa absorció, les nanopartículas plasmónicas estan sent investigades com a método per a aumentar l'eficàcia de les celes solars . Forçant que el dielèctric absorbixca més llum i aixina aumentar l'eficiència. Depenent del tamany de les nanopartículas, pot aprofitar-se la seua capacitat de dispersar la llum novament dins de l'estructura fotovoltaica i la baixa absorció. L'incorporació de nanoestructuras plasmónicas en dispositius fotovoltaics té el potencial de superar els problemes de la captura de llum en películes primes. És ben sabut que els plasmones de superfície estan units a oscilacions electromagnètiques d'electrons en l'interfaç entre un metal i un material dielèctric, i han cridat l'atenció per la seua capacitat per a guiar i confinar la llum en menuts volums. S'han obtingut resultats experimentals de l'energia fotovoltaica utilisant el plasmón millorat sobre Silici, per la qual cosa han trobat millores en la fotocorriente en un factor de 18 a 800nm.

Les estructures plasmónicas poden oferir a lo manco tres formes de reduir la gruixa física de les capes d'absorció fotovoltaica, mantenint constant la seua gruixa òptica(absorció de la llum en un mig absorbent). En primer lloc, les nanopartículas metàliques es poden utilisar com a elements de dispersió de llongitut d'ona per a acoplar i atrapar lliurement les ones planes del Sol en una película prima semiconductora absorbent, transferint la llum en una capa absorbent prima. En segon lloc, les nanopartículas metàliques poden utilisar-se com a antenes de sublongitud d'ona en les que el camp propenc plasmónico s'acopla al semiconductor, aumentant la seua absorció efectiva en la secció travessera. En tercer lloc, una película metàlica ondulada sobre la superfície d'una capa fina fotovoltaicamente absorbent pot unir la llum solar en modos de polaritones de plasmón de superfície (SPP) soportats en l'interfaç metal/semiconductor, aixina com modos guiats en la superfície del semiconductor, en lo que la llum es convertix en fotoportadores en el semiconductor.

Els plasmones poden excitar-se per mig de radiació òptica i induir una corrent elèctrica a partir d'electrons calents en materials fabricats a pur de partícules d'or i molècules de porfina fotosensible, de tamany precís i patrons específics. La llongitut d'ona a la que respon el plasmón és una funció del tamany i la dispersió de les partícules. El material es fabrica per mig de nanolitografía ferroeléctrica. En comparació a la fotoexcitación, el material produïx de tres a 10 voltes la corrent.

Espectroscòpia Raman amplificada per efecte de superfície (SERS) i Diagnosis

L'espectroscòpia SERS és una tècnica vibratoria ultrasensible que permet la detecció i evaluació estructural de cationes altament sensibles de analitos de molt baixa densitat a través d'un increment dels camps electromagnètics que s'originen per l'excitació de plasmones de superfície localisats. SERS no solament proporciona informació sobre la presència de l'element químic, també de la seua forma química, estats d'oxidació o ions complexos. L'activitat SERS depén essencialment de tres factors 1) el camp electromagnètic generat per la nanoestructura plasmónica usat com potenciador de l'òptica; 2) propietats Raman intrínseques de la molècula en estudi (la secció travessera); i, 3) l'afinitat de la molècula de la superfície plasmónica (interacció absorbent-adsorbato).

Gràcies a estes propietats, SERS ha naixcut com una poderosa ferramenta analítica que s'ha implementat durant l'última década en diferents aplicacions, especialment en l'anàlisis i monitoreo ambiental, biodetección, diagnòstic i bioimagen. Ramón Alvarez-Pobla et al. mencionen sobre l'us de películes plasmónicas nanoestructuradas d'argent o or com a elements de detecció, ultradetección in viu de metabòlits, biodetección de patógenos, caracterisació de proteïnes i inclús el diagnòstic d'organismes vius per mig de l'us de SERS directe. Per lo tant, s'han desenrollat noves metodologia que permeten la detecció en la sanc, saliva, orina i atres biofluidos. Una opció atractiva és l'explotació d'interaccions específiques entre un agent de captura, unit químicament al substrat SERS (nanopartículas), i el analito present en el decorregut d'interés. Existixen sensors que treballen de manera indirecta, és dir, l'utilisació de molècules sense modos vibracionales, les quals es deuen funcionalizar en un agent d'alta secció travessera per a que s'absorbixquen sobre la superfície plasmónica (nanopartícula) en la finalitat de detectar-les. Estos sensors registren els canvis induïts d'anticossos i ADN / ARN en la seua estructura, la seua resposta d'identificació posseïx una alta secció travessera i una millora eficient en els modos vibracionales, per les propietats de les nanopartículas plasmónicas.

Hipertermia (Tractament contra tumors)

L'investigació preliminar indica que l'absorció de nanorods d'or funcionalizados en factor de creiximent epidérmico és suficient per a amplificar els efectes de la llum làser de baixa potència, de modo que poden usar-se per a tractaments de radiació dirigida. Les nanopartículas d'or tenen la capacitat de convertir la llum fortament absorbida en calor localisada i aprofitar-se per a la teràpia fototérmica selectiva del càncer i l'infecció bacteriana. Les nanopartículas actuen com biomarcadores en cèlules canceroses, produint un aument de la especificidad de l'etiquetage i una disminució en la dosis del làser necessària per a matar les cèlules malaltes, sense danyar les cèlules sanes.

En l'actualitat existix una tecnologia que ampra nanopartículas d'or recobertes en polietilenglicol (PEG) que s'ampren com a portadores en la quimioteràpia anticancerígeno. El recobriment de polietilenglicol (PEG) establix la biocompatibilidad en les nanopartículas, en l'objectiu de minimisar l'aglomeració dels tumors, i ademés emmaixquerar-los del sistema immunològic. Les nanopartículas recobertes en PGE s'injecten per via intravenosa, presentant-se en major temps de retenció en la sanc per a acumular-se en els tumors. O´Neal et al. han demostrat que l'injecció de nanopartículas recobertes de PEG en rates a través de la seua vena de la coa dona lloc a una acumulació preferencial en la regió tumoral en el determini de sis hores. La posterior irradiació del teixit en la regió del infrarrojo propenc (NIR) produïx l'ablació selectiva de les regions tumorals enriquides en nanopartículas, deixant intacte el teixit sà circumdant.