METODO PARA EL ANALISIS DEL INDICE DE REFRACCION DE UN MEDIO DIELECTRICO ADYACENTE A UN MEDIO PLASMONICO, Y DISPOSITIVO CORRESPONDIENTE.

El método comprende los pasos de dirigir luz desde una fuente de luz (1) hacia un medio plasmónico,

para excitar una resonancia de plasmón superficial, y analizar luz proveniente de dicho medio plasmónico (4). Como fuente de luz (1) se usa un diodo láser, y se varía periódicamente la longitud de onda de la luz emitida por el diodo láser. La invención también se refiere a un dispositivo correspondiente.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201030166.

Solicitante: CONSEJO SUPERIOR DE INVETIGACIONES CIENTIFICAS.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: LECHUGA GOMEZ,LAURA M., SEPULVEDA MARTINEZ,BORJA, ARMELLES REIG,GASPAR, REGATOS GOMEZ,DAVID, FARI;A SANTANA,DAVID.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01N21/55 SECCION G — FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01N INVESTIGACION O ANALISIS DE MATERIALES POR DETERMINACION DE SUS PROPIEDADES QUIMICAS O FISICAS (procedimientos de medida, de investigación o de análisis diferentes de los ensayos inmunológicos, en los que intervienen enzimas o microorganismos C12M, C12Q). › G01N 21/00 Investigación o análisis de los materiales por la utilización de medios ópticos, es decir, utilizando rayos infrarrojos, visibles o ultravioletas (G01N 3/00 - G01N 19/00 tienen prioridad). › Reflexión especular.
METODO PARA EL ANALISIS DEL INDICE DE REFRACCION DE UN MEDIO DIELECTRICO ADYACENTE A UN MEDIO PLASMONICO, Y DISPOSITIVO CORRESPONDIENTE.

Fragmento de la descripción:

Método para el análisis del índice de refracción de un medio dieléctrico adyacente a un medio plasmónico, y dispositivo correspondiente.

Campo técnico de la invención

La invención se engloba en el campo de la detección de cambios en los índices de refracción de medios dieléctricos, basada en el fenómeno de la resonancia de plasmón superficial (por ejemplo, SPR o LSPR).

Antecedentes de la invención

Es conocida la detección de cambios índices de refracción en medios dieléctricos adyacentes a una superficie metálica mediante la detección de la Resonancia de Plasmón Superficial (SPR por sus siglas en inglés: "Surface Plasmón Resonance"), incluyendo variantes como la resonancia de plasmón superficial localizada (LSPR).

Una onda de plasmón superficial es una onda electromagnética transversal magnética que se propaga en la intercara de un metal y un dieléctrico cuando el metal se comporta de forma parecida a un gas de electrones libres. La onda de plasma está caracterizada por un vector de propagación (vector de ondas) que define las condiciones necesarias para poder ser excitada. Si el medio metálico y el dieléctrico son semi-infinitos, el vector kSP de propagación del plasmón viene dado por la siguiente expresión:


donde λ es la longitud de onda y nm y nd son, respectivamente, los índices de refracción del metal y del dieléctrico (y varepsilonm y varepsilond son sus constantes dieléctricas, con n=sqrt{varepsilon}).

Para que se produzca el fenómeno de resonancia de plasmón es necesario que

- la parte real de la constante dieléctrica del metal sea negativa, Re[varepsilonm]<0,

- que Re[varepsilond]<-Re[varepsilonm],

- y que la onda producida sea transversal magnética (TM).

Estas condiciones se cumplen para diversos metales, entre los cuales los más utilizados son el oro y la plata. El campo electromagnético de una onda de plasma superficial está caracterizado por tener la máxima intensidad en la intercara del metal y del dieléctrico y un decaimiento exponencial en ambos medios, tal y como se ilustra esquemáticamente en la Figura 1 (esta figura ilustra el decaimiento exponencial de la onda en la intercara del metal 1001 y del medio dieléctrico 1002).

Como consecuencia, la excitación de la onda de plasma superficial va a depender fuertemente de la constante dieléctrica (o índice de refracción) del medio dieléctrico.

Hay distintas formas de excitar estás ondas superficiales, por ejemplo, con electrones o con luz. Sin embargo, la excitación de esta onda de plasmón superficial no puede realizarse incidiendo directamente con luz sobre el metal. Esto se debe a que el vector de ondas de la luz viene dado por la siguiente expresión:


siendo θ el ángulo de incidencia de la luz y λ la longitud de onda. Para que se produzca la excitación es necesario que ambos vectores de ondas sean iguales. Si comparamos los vectores de ondas del plasmón y de la luz se cumple que, para cualquier ángulo de incidencia de la luz:


Para poder excitar con luz el plasmón superficial se utilizan distintas técnicas, entre las que cabe destacar:

a) Acoplamiento con prisma (ilustrado de forma esquemática en la Figura 2): se utiliza un prisma 1003 con un índice de refracción np y constante dialéctrica varepsilonp mayor que los del medio dieléctrico 1002 en el que se van a producir los cambios ópticos (varepsilonp>varepsilond), y una lámina o capa metálica 1001 delgada con un espesor determinado (que depende de la longitud de onda de la luz y del metal utilizado) interpuesta entre el prisma 1003 y el medio dieléctrico 1002. En la Figura 2, kx0 es la componente del vector de ondas de la luz en el aire paralela a la superficie de reflexión (y varepsilon0 es la constante dieléctrica del aire), kxp es la componente del vector de ondas de la luz en el prisma paralela a la superficie de reflexión (y varepsilonp es la constante dieléctrica del prisma), y kSP es el vector de propagación del plasmón.

La excitación se realiza mediante la reflexión interna total de la luz en la intercara entre el prisma y el metal, y el plasmón se genera en la intercara del metal y del medio dieléctrico en el que se va a realizar la medida. En esta configuración, el espesor de la capa metálica es un parámetro esencial para poder observar la resonancia de plasmón. El espesor óptimo puede calcularse con diversos métodos, por ejemplo, a través del formalismo descrito en la publicación M. Shubert, Polarization-dependent optical parameters of arbitrarily anisotropic homogeneous layered media, Physical Review B, vol. 53, p. 4265 (1996).

b) Diseñando una estructura periódica, como una rejilla, en la capa metálica. De esta manera se produce un fenómeno de difracción de la luz que incide sobre la estructura periódica, y que lleva a un incremento en el vector de ondas de la luz:


donde Λ es el periodo de la estructura periódica y N es el orden de difracción de la luz. Con este método el espesor de la capa metálica no es un parámetro muy importante, sin embargo, si serán importantes el periodo y profundidad de las estructuras periódicas.

c) Mediante luz guiada en una guía de ondas o en una fibra óptica. La excitación se realiza a través del campo evanescente de la luz confinada en el núcleo de la guía o de la fibra óptica.

Estas maneras de excitar el plasmón superficial mediante la incidencia de luz son convencionalmente utilizadas (tal vez, sobre todo el sistema basado en acoplamiento con prisma) en sistemas de medición/detección de cambios en los índices de refracción de medios dieléctricos.

Estos sistemas de medición y detección se basan en el hecho de que la condición de excitación de la resonancia de plasmón depende del índice de refracción, nd del medio dieléctrico. Esto implica que si cambia el índice de refracción cambiará la condición de excitación del plasmón. Este cambio en la condición de resonancia se puede detectar de distintas maneras, por ejemplo, analizando la luz reflejada por la capa metálica en función del ángulo de incidencia de la luz, manteniendo la longitud de onda fija, y en una configuración de acoplamiento con prisma.

La Figura 3A ilustra una configuración conocida para la detección de cambios del índice de refracción de un medio dieléctrico, que comprende una fuente de luz 1004 monocromática con polarización transversal magnética (también conocida como "polarización TM" o "polarización p", es decir, con el campo eléctrico dentro del plano de incidencia de la luz), un detector de intensidad de luz 1005 conectado a medios de procesamiento electrónico de datos 1006 configurados para analizar las señales a la salida del detector de intensidad de luz 1005. Además, la configuración comprende un prisma 1003 de acoplamiento, una fina capa metálica 1001 (típicamente, de oro) situada sobre una superficie del prisma 1003 y, en el otro lado de la capa metálica, es decir, en contacto con la superficie de la capa metálica que no está en contacto con el prisma, el medio dieléctrico 1002 (por ejemplo, un fluido). La luz 1007 se refleja al incidir sobre la capa metálica y la luz reflejada incide sobre el detector de luz 1005, que detecta su intensidad, la cual es registrada por los medios de procesamiento electrónico de datos 1006.

La Figura 3B refleja, de forma esquemática, cómo el prisma 1003 y la capa metálica 1001 pueden ser girados con respecto a la fuente de luz 1004, de manera que varíe el ángulo θ de incidencia de la luz 1007 (esto se puede hacer desplazando la fuente de luz y/o el conjunto constituido por prisma...

 


Reivindicaciones:

1. Método para el análisis del índice de refracción de un medio dieléctrico adyacente a un medio plasmónico (4), que comprende los pasos de:

- dirigir luz desde una fuente de luz (1) hacia el medio plasmónico, para excitar una resonancia de plasmón superficial;

- y analizar luz proveniente de dicho medio plasmónico (4);

caracterizado porque

- como fuente de luz (1) se usa un diodo láser, y

- se varía periódicamente la longitud de onda de la luz emitida por el diodo láser.

2. Método según la reivindicación 1, en el que el paso de analizar luz proveniente de dicho medio plasmónico (4) comprende analizar al menos una característica de dicha luz en función de la variación de la longitud de onda de la luz emitida por el diodo láser.

3. Método según la reivindicación 2, en el que el paso de analizar luz proveniente de dicho medio plasmónico (4) comprende analizar dicha luz proveniente de dicho medio plasmónico de forma sincronizada con la variación de la longitud de onda de la luz del diodo láser.

4. Método según la reivindicación 1, en el que el paso de analizar luz proveniente de dicho medio plasmónico (4) comprende realizar un análisis Fourier de al menos una característica de dicha luz.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la longitud de onda de la luz del diodo láser se varía entre una longitud de onda mínima (λmin) y una longitud de onda máxima (λmax), siendo la diferencia entre la longitud de onda mínima y la longitud de onda máxima inferior a 5 nm.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el paso de variar periódicamente la longitud de onda de la luz emitida por el diodo láser comprende variar dicha longitud de onda mediante una variación de la potencia de emisión del diodo láser.

7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la longitud de onda se varía de forma periódica entre una longitud de onda mínima (λmin) y una longitud de onda máxima (λmax), con una frecuencia superior a 1 kHz, preferiblemente superior a 2 kHz.

8. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el medio plasmónico (4) está configurado para que la longitud de onda correspondiente a la resonancia de plasmón superficial corresponde sustancialmente a la longitud de onda central de emisión del diodo láser.

9. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el paso de analizar luz proveniente de dicho medio plasmónico (4) comprende analizar una señal plasmónica asociada a dicha luz.

10. Método según la reivindicación 9, en el que el paso de analizar una señal plasmónica comprende determinar la variación del valor de la señal plasmónica inducida por la variación de la longitud de onda de la luz emitida por el diodo láser, dividida por el valor de dicha señal plasmónica.

11. Dispositivo para el análisis del índice de refracción de un medio dieléctrico, que comprende:

- una fuente de luz (1) configurada para dirigir un haz de luz (3) hacia un medio plasmónico (4), para excitar la resonancia de plasmón superficial;

- un detector (6) para analizar luz proveniente de dicho medio plasmónico (4);

caracterizado porque

la fuente de luz (1) comprende un diodo láser,

y porque

el dispositivo comprende un subsistema (2) de variación periódica de la longitud de onda de la luz emitida por el diodo láser.

12. Dispositivo según la reivindicación 11, en el que el detector (6) está configurado para analizar la luz proveniente de dicho medio plasmónico de forma sincronizada con una variación de la longitud de onda de la luz del diodo láser.

13. Dispositivo según la reivindicación 11, en el que el detector (6) está configurado para realizar un análisis Fourier de al menos una característica de la luz proveniente de dicho medio plasmónico.

14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11-13, en el que el subsistema (2) de variación periódica de la longitud de onda de la luz emitida por el diodo láser está configurado para variar la longitud de onda de la luz del diodo láser entre una longitud de onda mínima (λmin) y una longitud de onda máxima (λmax), siendo la diferencia entre la longitud de onda mínima y la longitud de onda máxima inferior a 5 nm.

15. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 11-14, que adicionalmente comprende dicho medio plasmónico.


 

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