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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.
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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.