Maximiliano da Cruz - PUC-Rio

Departamento de Física
Síntese de nanopartículas metálicas para sensoriamento a fibra óptica
baseado em plasmônicos
Aluno: Maximiliano da Cruz Faria
Orientador: Isabel C. S. Carvalho
Introdução
Cada vez mais aumenta a demanda por sensores a fibra óptica para aplicações
nas indústrias de telecomunicações, petroquímica, biomédica, civil, transporte, aeronáutica,
entre outras. Isto ocorre devido à extensa lista de vantagens oferecidas por estes dispositivos,
por exemplo, flexibilidade, baixo peso, longa distância de transmissão, diâmetro compacto,
imunidade à interferência de ondas eletromagnéticas externas, não emitem faíscas, boa
resistência contra corrosão e confiabilidade.
Este trabalho se baseia na síntese de nanopartículas de prata por meio de processos
químicos e no efeito de Ressonância de Plasmon de Superfície Localizado (LSPR, Localized
Surface Plasmon Resonance) para uso em sensores de fibras ópticas. LSPR é um fenômeno
em que luz incidente em nanopartículas metálicas é absorvida, gerando banda de absorção
características (banda de LSPR) que dependem do tipo de metal, da geometria da
nanopartícula (forma e tamanho) e do meio em torno das nanopartículas. Caso ocorram
mudanças no meio no qual as nanopartículas se encontram, mudanças de concentração ou do
tipo de meio ocorrerão deslocamentos (em comprimento de onda) da banda de absorção do
LSPR, permitindo assim que este efeito seja utilizado em sensoriamento químico e em
biossensores [1].
Nanoparticulas são partículas de tamanho nanométrico, com propriedades
diferenciadas por seu tamanho e geometria. As nanoparticulas utilizadas – nanopartículas de
Ag (prata) – são caracterizadas por apresetarem absorção na faixa de comprimento de onda
entre 400nm e 500nm, devido à ressonância de plasmon.
Objetivos
Este projeto tem como objetivo a síntese e caracterização de nanopartículas de prata
(Ag) para serem utilizadas em um sensor a fibra óptica baseado em Ressonância de Plasmon
de Superfície Localizado (LSPR, Localized Surface Plasmon Resonance) [1].
Metodologia
Foi feita a síntese de nanopartículas de prata por meio de processo químico para serem
depositadas em fibras ópticas. As nanopartículas foram produzidas por um método químico
em que se utiliza de um agente redutor diferente para cada estabilizante, sendo responsável
por separar o íon nitrato do íon de prata. Foram adicionados os estabilizadores, junto do
agente redutor, periodicamente na solução de nitrato de prata, enquanto era mantida em
agitação magnética, e temperatura controlada. Após a completa adição dos estabilizadores, a
síntese estava terminada. As nanopartículas foram mantidas fora do contato com a luz e do ar,
pois a energia luminosa é suficiente para que as nanopartículas liberem elétrons,
aglomerando-se, e pelo ar reagir com a prata, oxidando as nanopartículas. Antes da deposição,
foi realizada a limpeza das fibras limpando-as com álcool isopropílico, depois álcool etílico,
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agua destilada, solução piranha (2 para 1 de ácido sulfúrico para peroxido de hidrogênio), e
água destilada novamente. Após a limpeza, a deposição foi feita, mantendo as pontas das
fibras em contato com as nanopartículas, a fim de se desenvolver um sensor baseado no efeito
LSPR.
Na síntese utilizou-se 3 tipos de silanos (APTES, GPTMS e MPTMS) e de
estabilizadores (PVP, Citrato e CTAB) somando um total de 9 grupos de diferentes NPs
depositadas na ponta das fibras. A fibra ficou durante 24h em solução de silano em álcool
etílico, em seguida mantida por 24 horas em processo de deposição das nanopartículas. Após
a realização desse procedimento em uma das faces clivadas da fibra óptica, emenda-se a fibra,
pela outra extremidade, a um sistema composto de um acoplador, uma fonte de luz branca e
um analisador de espectro óptico, formando um sensor a fibra óptica baseado em LSPR
(Fig.1a). Como pode-se observar na Fig 1.a, a luz branca era transmitida por uma fonte que se
dirigia à fibra sensor. A luz era então refletida pelas NPs, e se dirigia para o espectrômetro
onde seria analisada. Foram realizadas as medidas do espectro da luz refletida na extremidade
da fibra contendo as NPs, verificando assim em que região do espectro havia maior
absorbância devido ao efeito LSPR. O sinal refletido, monitorado pelo sistema do
espectrômetro Ocean Optics, foi analisado. A figura 1b mostra um espectro típico da
combinação GPTMS (3- glicidoxipropil-trimetoxisílano) com citrato. Conforme pode se
observar o sinal apresenta um mínimo no comprimento de onda de aproximadamente 450nm,
que está associado ao pico de absorção da Ag devido ao LSPR. Observa-se um vale ao invés
de um pico de absorção pois o sinal é medido no modo de reflexão. Nos outros grupos era
possível localizar os vales em regiões não desejadas, ou na região desejada, no entanto, não
eram tão visíveis quanto nas fibras Citrato-GPTMS.
GPTMS com citrato
80
Reflected Signal
70
60
50
40
400
500
600
700
800
Wavelength(nm)
a)
b)
Figura 1: a) Montagem experimental do sensor LSPR, b) Sinal refletido na ponta da fibra que
contém nanopartículas de Ag.
Após tirar o espectro de reflexão das fibras, efetuou-se as medidas do sinal refletido
dessas fibras em diferente índices de refrações conhecidos. Dos espectros analisados de cada
medida, pode-se criar uma curva de calibração, capaz de indicar o índice de refração de
diferentes meios.
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Conclusão:
Após medir o sinal refletido das fibras dos nove grupos, obtiveram-se os gráficos do
sinal refletido em função do comprimento de onda para cada grupo, conforme a figura 1b. De
acordo com os gráficos obtidos, pôde-se observar que as NPs sintetizadas com GPTMS e
citrato apresentaram um sinal bem definido característico do efeito do LSPR.
As medidas feitas com a fibra em cada meio com diferentes índices de refração,
confirmam o sucesso da deposição do GPTMS e do seu funcionamento como elemento sensor
de índice de refração.
Referências
1-Gouvêa, Paula M. P.; Jang, Hoon ; Carvalho, Isabel C. S. ; CREMONA, M. ; Braga, Arthur
M. B. ; FOKINE, Michael . Internal specular reflection from nanoparticle layers on the end
face of optical fibers, Journal of Applied Physics, v. 109, p. 103114-103114-6, 2011.