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Departamento de Física CARACTERIZAÇÃO DE RESSONÂNCIA LOCALIZADA DE PLASMON DE SUPERFÍCIE EM NANOPARTÍCULAS METÁLICAS UTILIZANDO CONTROLADOR ARDUINO Aluno: Manuel Calçada de Sousa Orientador: Isabel Cristina dos Santos carvalho Introdução Sensores de fibra óptica tem sido largamente utilizados em diversos campos de aplicação graças as suas vantagens em relação aos sensores tradicionais. A pesquisa realizada faz parte de um projeto que investiga o desenvolvimento de sensores a fibra óptica que usam como elemento sensor fibras ópticas com nanopartículas de ouro depositadas em uma face de sua extremidade clivada. Este trabalho se baseia 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 característica (banda de LSPR) que depende 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]. A caracterização do espectro de absorção da luz branca incidente em um sistema de nanopartículas metálicas depositadas em um meio dielétrico normalmente é realizada utilizando-se um espectrofotômetro. Neste projeto investiga-se potencialidade de desenvolvimento de um sistema de medição da absorção de LSPR em nanopartículas metálicas em substratos vítreos e fibras ópticas utilizando uma placa de Arduíno, um fotodectetor e uma rede de difração. Este projeto foi iniciado em novembro de 2014, estando o aluno envolvido nesta pesquisa por aproximadamente 8 meses. A pesquisa desenvolvida contribui para o desenvolvimento do projeto de sensores a fibra óptica baseado em LSPR. Uma solução para a interrogação do sensor a ser desenvolvido é a utilização de uma placa de prototipagem, o Arduíno. Desta forma, o relatório aqui descrito trata da utilização desta placa para o sensoriamento de luz. O Arduíno, é uma placa de prototipagem de hardware e software livres baseado na linguagem C que facilita a interação de grandezas reais com digitais, permitindo, por exemplo, que sensores possam ser controlados por qualquer dispositivo com uma porta USB, geralmente um computador, tornando o dispositivo mais barato e acessível a qualquer pessoa. Objetivos Desenvolver um sistema para medição da absorção de luz branca após passar por um sistema que contém nanopartículas metálicas usando um controlador Arduíno, um fotodetector dedicado e uma rede de difração de forma a monitorar os comprimentos de onda absorvidos pelas nanopartículas depositadas em substratos vítreos. Nesta fase da pesquisa são apresentados os resultados iniciais que tratam da realização da uma medida do sinal de luz que atravessa uma fenda simples. É intenção também utilizar este sistema para o ensino, reproduzindo, por exemplo, um experimento de Young de uma forma mais simples, precisa e atraente aos alunos.

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Departamento de Física

CARACTERIZAÇÃO DE RESSONÂNCIA LOCALIZADA DE

PLASMON DE SUPERFÍCIE EM NANOPARTÍCULAS METÁLICAS

UTILIZANDO CONTROLADOR ARDUINO

Aluno: Manuel Calçada de Sousa

Orientador: Isabel Cristina dos Santos carvalho

Introdução

Sensores de fibra óptica tem sido largamente utilizados em diversos campos de aplicação

graças as suas vantagens em relação aos sensores tradicionais. A pesquisa realizada faz parte

de um projeto que investiga o desenvolvimento de sensores a fibra óptica que usam como

elemento sensor fibras ópticas com nanopartículas de ouro depositadas em uma face de sua

extremidade clivada.

Este trabalho se baseia 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 característica (banda de LSPR) que depende 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]. A caracterização do espectro de absorção da luz branca incidente em um

sistema de nanopartículas metálicas depositadas em um meio dielétrico normalmente é

realizada utilizando-se um espectrofotômetro. Neste projeto investiga-se potencialidade de

desenvolvimento de um sistema de medição da absorção de LSPR em nanopartículas metálicas

em substratos vítreos e fibras ópticas utilizando uma placa de Arduíno, um fotodectetor e uma

rede de difração.

Este projeto foi iniciado em novembro de 2014, estando o aluno envolvido nesta

pesquisa por aproximadamente 8 meses. A pesquisa desenvolvida contribui para o

desenvolvimento do projeto de sensores a fibra óptica baseado em LSPR.

Uma solução para a interrogação do sensor a ser desenvolvido é a utilização de uma

placa de prototipagem, o Arduíno. Desta forma, o relatório aqui descrito trata da utilização desta

placa para o sensoriamento de luz. O Arduíno, é uma placa de prototipagem de hardware e

software livres baseado na linguagem C que facilita a interação de grandezas reais com digitais,

permitindo, por exemplo, que sensores possam ser controlados por qualquer dispositivo com

uma porta USB, geralmente um computador, tornando o dispositivo mais barato e acessível a

qualquer pessoa.

Objetivos

Desenvolver um sistema para medição da absorção de luz branca após passar por um

sistema que contém nanopartículas metálicas usando um controlador Arduíno, um fotodetector

dedicado e uma rede de difração de forma a monitorar os comprimentos de onda absorvidos

pelas nanopartículas depositadas em substratos vítreos. Nesta fase da pesquisa são apresentados

os resultados iniciais que tratam da realização da uma medida do sinal de luz que atravessa uma

fenda simples. É intenção também utilizar este sistema para o ensino, reproduzindo, por

exemplo, um experimento de Young de uma forma mais simples, precisa e atraente aos alunos.

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Instrumentação

O sistema Arduíno desenvolvido é composto por:

Arduíno

Foi utilizado o Arduino Leonardo neste sistema.

Protoboard

Capacitor cerâmico de 10 μF

Sensor TSL1402R

Fotodetector de matriz linear desenvolvido pela TAOS (atualmente AMS AG),

com 256 canais para a captação de luz. Este sensor foi utilizado por ser um dos

mais usados nesta categoria, tendo scripts já desenvolvidos na internet, além de

oferecer uma boa resolução, um amplo número de pixels e ter um valor acessível

ao propósito do projeto.

Figura 1 – Face superior do TSL1402R

E para a análise do espectro de difração, a fim de produzir as franjas a serem

projetadas no sensor, foram utilizados os seguintes componentes:

Laser LED de alta potência

Comprimento de onda 650 nm, potência de 5 mW e conectado a um

transformador de 5 V para alimentação.

Fenda simples

Foi utilizada a fenda com largura 0.15 mm, mostrada na figura 2.

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Figura 2 – Slide com fendas

Atenuador Óptico

Foi observada a necessidade de atenuação da intensidade do laser, já que

ultrapassava a resolução do sensor impossibilitando a obtenção dos dados de

forma precisa. Para isso utilizou-se um atenuador óptico variável.

Figura 3 – Atenuador óptico variável

Montagem do sistema

Conforme o datasheet do sensor, as ligações feitas, com o auxílio de uma protoboard,

estão descritas na Tabela 1 (abaixo) e diagramadas na figura 4 utilizando o software livre

Fritzing. Na figura 5 estão detalhadas as conexões dos pinos deste sensor.

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Ligação

Arduíno Sensor

+5 V Pin 1 (Vdd)

GND Pin 5 e 12 (GND)

A1 Pin 4 (AO1)

A2 Pin 8 (AO2)

D4 Pin 3 (CLK)

D5 Pin 2 (SI 1)

Pin 2 com Pin 10 (SI 2)

Capacitor entre +5 V e GND

Tabela 1 – Conexões

Figura 4 – Diagramação das ligações do sistema

Figura 5 – Conexões do TSL1402R

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Por fim, a montagem experimental está esquematizada na figura 6, sendo D a distância

fixa entre a fenda e o sensor e x a distância variável entre o meio do sensor até um canal

específico (isto é, o pico de intensidade do espectro de difração até um mínimo desejado).

Figura 6 – Montagem experimental

Metodologia

As atividades de pesquisa foram iniciadas em novembro de 2014, inicialmente com uma

familiarização dos projetos desenvolvidos no laboratório de Optoeletrônica do Departamento

de Física da PUC-Rio. Entre as atividades pode-se citar o processo químico para a deposição

de nanopartículas em placas vítreas, a análise da absorbância de fibras contendo nanopartículas

metálicas e lâminas de microscópio com nanopartículas. Para as medidas de absorbância

utilizou-se um espectrômetro (USB4000 da marca Ocean Optics) e posteriormente o

processamento desses dados obtidos utilizando o software Origin.

Posteriormente foi estudado o efeito de LSPR em nanopartículas metálicas. Com o auxílio

do software MATLAB foi desenvolvido um programa de simulação computacional da

ressonância localizada de plasmon de superfície devido às nanopartículas metálicas [2] afim de

descobrir os comprimentos de onda referentes aos picos de absorção da luz branca do LSPR.

Esta simulação foi baseada no modelo de Maxwell-Garnett do meio efetivo, que descreve as

propriedades ópticas da interação entre nanopartículas metálicas e o meio na qual ela está

interagindo, levando em conta o fator de preenchimento, a constante dielétrica do material

depositado e a constante dielétrica do meio. Foi possível, portanto obter o espectro de extinção

das nanopartículas metálicas na presença de meios com diferentes índices de refração (n)

quando a luz incide sobre elas, como mostrado na figura 7.

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Figura 7 – Simulação computacional Maxwell-Garnett do Campo de extinção pelo

comprimento de onda

Na incidência de radiação eletromagnética, na faixa do visível, em nanopartículas

metálicas entre substratos vítreos, observa-se que devido ao efeito LSPR o comprimento de

onda do pico do espectro de absorção se desloca para comprimentos de ondas maiores a medida

que o índice de refração do meio externo aumenta. Esta resposta pode ser usada para o

desenvolvimento e calibração dos sensores.

A seguir foi idealizado um sistema de medição de luz baseado em Arduíno, detalhado

anteriormente nas seções Instrumentação e Montagem. Para calibração e ambientação com o

sistema e sua linguagem de programação foram reproduzidos experimentos de difração por

fenda simples. Foi utilizado o aparato descrito na seção Instrumentação para gerar o efeito de

difração e posteriormente sua análise pelo sistema idealizado. Foi utilizado o software livre

Processing, juntamente com o firmware FIRMATA instalado no Arduíno e scripts

desenvolvidos pelo professor Michael Fokine (KTH-Suécia) e seu aluno Movitz (KTH-Suécia),

para a geração de um gráfico em tempo real do espectro de difração, sendo o eixo vertical a

intensidade de luz por cada canal do sensor e o horizontal os números destes canais. Esta etapa

da pesquisa foi importante, além da ambientação já citada, para o ajuste do atenuador óptico,

pois foi constatado por meio do gráfico que a intensidade da luz emitida pelo laser semicondutor

excedia a resolução do sensor.

Utilizando um script disponível na internet para esse sensor no Arduíno foi obtido os

valores da intensidade para cada canal do sensor exposto às franjas iluminadas (figura 8)

geradas pelo efeito de difração na fenda. Esses dados foram normalizados e exportados para o

MATLAB, onde foi gerado o gráfico mostrado na figura 9.

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Figura 8 – Franjas iluminadas (em cinza) geradas pela difração e o espectro

correspondente as mesmas abaixo, sendo x, mais uma vez, a distância no eixo horizontal. As

franjas escuras correspondem aos mínimos de difração.

Figura 9 – Intensidade do sinal de difração para fenda única em função dos canais

localizados no sensor óptico.

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Colocando o pico da intensidade como correspondente ao canal zero, obtém-se o gráfico

mostrado na figura 10.

Figura 10 – Intensidade do sinal de difração para fenda única em função dos canais

localizados no sensor óptico com ajuste da localização do canal central.

É possível converter o número dos canais em distância usando informações do tamanho

dos canais e espaçamento entre os mesmos obtidas no datasheet (reproduzidas na figura 11),

juntamente com multiplicações básicas resultando na figura 12.

Figura 11 – Dimensões dos canais do sensor

Figura 12 - Intensidade do sinal de difração para fenda única em função da distância

entre os canais.

Departamento de Física

Pela teoria da difração, tem-se que:

1. 𝑏 . 𝑠𝑒𝑛(𝜃) = 𝜆 . 𝑛

𝑏: 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑎 𝑓𝑒𝑛𝑑𝑎

𝜆: 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑜𝑛𝑑𝑎

𝑛: 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑜 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜

𝜃: â𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑎𝑠 𝑓𝑟𝑎𝑛𝑗𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑗𝑒𝑡𝑎𝑑𝑎𝑠 𝑛𝑜 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟

2. 𝑡𝑔(𝜃) =𝑥

𝐷

𝑥: 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒 𝑜𝑠 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜𝑠 𝑒 𝑜 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑜 𝑑𝑜 𝑝𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟çã𝑜, 𝑚𝑒𝑙ℎ𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑛𝑎 𝑓𝑖𝑔𝑢𝑟𝑎 8

𝐷: 𝑑𝑖𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑎 𝑓𝑒𝑛𝑑𝑎 𝑎𝑜 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟

Para pequenos ângulos, usa-se a aproximação:

3. 𝑠𝑒𝑛(𝜃) ≈ 𝑡𝑔(𝜃)

Logo:

4. 𝑥 = 𝑠𝑒𝑛(𝜃) . 𝐷

Os valores utilizados neste experimento são:

𝑏 = 0,15 𝑥10−3 𝑚 𝜆 = 650 𝑥 10−9 𝑚 𝐷 = 78 𝑥 10−2𝑚

Com a equação 4, foi montada a tabela 2 correspondentes aos mínimos teóricos para o

espectro de difração, isto é, os pontos onde a intensidade é a mínima.

n 1 2 3 4 5

sen(θ) 0,00433 0,00867 0,0130 0,0173 0,0217

X (mm) 3,38 6,76 10,1 13,5 16,9

Tabela 2 – Valores teóricos para os mínimos

Comparando os valores da tabela 2 com os apresentados no gráfico da figura 12 tem-se a

confirmação da calibração do sistema, pois os mínimos (que estão destacados) do gráfico se

aproximam dos valores teóricos, com pequenos desvios causados por defeitos na fabricação do

sensor (como um notado no canal 128) e a resolução digital dos programas e sensor. Na figura

13 são identificados os pontos mínimos teóricos.

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Figura 13 – Intensidade do sinal de difração para fenda única em função da distância

com valores experimentais para os mínimos de difração destacados.

O erro máximo calculado entre os mínimos teóricos e o experimentais foi de 3%.

O gráfico da figura 13 pode ser modificado utilizando a equação 4 (com o seno em função

de x e D) para exibir o seno do ângulo no eixo horizontal (figura 14).

Figura 14 – Intensidade do sinal de difração para fenda única em função do seno do

ângulo

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A tabela 3 apresenta a comparação dos valores (absolutos) teóricos e experimentais do

seno do ângulo obtido pela figura 14.

sen(θ)

teórico 0,00433 0,00433 0,00867

experimental 0,00448 0,00407 0,00904

Tabela 3 – Valores teóricos x experimentais do seno do ângulo

Usando a equação 1 estima-se a largura da fenda (b) utilizando os senos obtidos

experimentalmente e obtém-se a tabela 4. Os valores experimentais calculados da largura da

fenda utilizada são idênticos ao valor fornecido pelo fabricante, de 0.15 mm, respeitando os

algarismos significativos.

sen(θ) 0,00433 0,00433 0,0087

b (mm) 0,15 0,15 0,15

Tabela 4 – Valores experimentais da largura da fenda utilizada

Por fim, este sistema está sendo adaptado para funcionar como um espectrômetro afim de

analisar a absorção de luz branca pelas nanopartículas num determinado meio, sendo a

experiência da simulação computacional feita anteriormente. Para isso deverá ser utilizada uma

fonte de luz branca, que incidirá em uma lâmina vítrea contendo nanopartículas metálicas e a

luz transmitida incidirá sobre uma rede de difração e após direcionada para o fotossensor, que

transferindo os dados para o Arduíno gera um gráfico no computador permitindo-se obter o

espectro de absorção. Para isso o sistema deverá ser devidamente calibrado com uma fonte de

luz de comprimento de onda conhecido. Este sistema de medição será utilizado para se obter o

espectro de absorção de nanopartículas metálicas depositadas na ponta de uma fibra óptica.

Neste caso, a luz branca será acoplada à fibra óptica sendo o sistema de medição o mesmo

utilizado com as lâminas vítreas.

Conclusões

O estudo da simulação computacional da resposta à incidência de luz ao sistema de

nanopartículas metálicas em substratos vítreos mostrou que devido ao efeito LSPR, o pico de

absorção desloca-se para maiores comprimentos de ondas a medida que o índice de refração do

meio é aumentado e é o primeiro passo para um futuro projeto de um interrogador óptico

baseado neste sistema Arduíno criado.

Os erros encontrados entre os valores teóricos e experimentais, seja da distância (x) ou

ângulo (θ) foram extremamente pequenos (cerca de 3%) e aceitáveis para os fins propostos,

indicando a calibração e o funcionamento correto do sistema montado. O erro entre a medida

experimental da fenda simples utilizada e a fornecida pelo fabricante foi nulo.

O projeto desse sistema de medição de luz baseada no Arduino pode também ser utilizado

como espectrômetro, auxiliando na área médica no caso de desenvolvimento de sensores

biológicos baseados em LSPR como o já desenvolvido no Departamento de Física,PUC-Rio[3],

pois este projeto permitirá a utilização de um espectrômetro extremamente barato e de mais

fácil aquisição em comparação com os usados no mercado.

Na área educacional este sistema poderá ser mais barateado ainda utilizando Arduínos

mais simples que desempenham a mesma função, e o uso do MATLAB na produção dos

gráficos poderá ser substituído pelo Excel, Origin ou qualquer outro programa de análise de

Departamento de Física

dados. Este método de aquisição de dados pelo arduino e plotado em outro programa foi

pensado para facilitar o processo, já que muitos estudantes não têm familiaridade com o

programa Processing, e poderia dificultar o uso educacional.

Referências

1- GOUVÊA, P. M. P.; HOON, J.; CARVALHO, I. C. S.; CREMONA, M.; BRAGA, A.M.B.;

FOKINE, M. Internal Specular Reflection from nanoparticle layers on the end face of

optical fibers. Journal of applied physics, 109. 2011.

2 - CAMARA, A. R. Nanopartículas Metálicas para Sensoriamento Químico a Fibra

Óptica. Rio de Janeiro, 2010. 71p. Dissertação (mestrado em Física) – PUC-Rio.

3 – CAMARA, A. R.; GOUVÊA, P. M. P.; DIAS, A.C.M.S.; CARVALHO, I. C. S.;

DUTRA, R.E.A.; BRAGA, A.M.B, Dengue immunoassay with an LSPR fiber optic

sensor, Optic express, 21. 2013.