Biodetecção plasmônica no infra-vermelho médio e longínquo usando grafeno

Resumo

Este projeto propõe desenvolver uma nova técnica espectroscópica baseada em efeitos plasmónicos sintonizáveis no grafeno, mediante a exploração da interação dependente da polarização de pequenas biomoléculas com a radiação de terahertz (THz). O grafeno fornece uma plataforma ideal para a intensificação da interação entre a luz e a matéria, devido à sua excelente resposta plasmónica na gama do infravermelho médio e longínquo. Além disso, esta resposta é sintonizável em tempo real, mediante a aplicação de uma tensão de porta. Algumas das características estruturais dos péptidos que determinam a sua funcionalidade bioquímica poderão ser elucidadas por espectroscopia dependente da polarização na gama dos THz, tal como se descreve num estudo computacional recente, onde se observa que a espectroscopia de THz quiro-ótica ainda não foi comprovada experimentalmente. O caracter inovadordeste projeto é, assim, o de desenvolver dispositivos que realizem esta técnica experimental de análise molecular.Duas arquiteturas serão implementadas para a intensificação da interação luz-matéria entre grafeno e biomoléculas. Numa delas, fitas de grafeno de largura micrométrica, gravadas por litografia ótica, constituem o meio plasmónico ativo. A segunda abordagem consiste na transferência duma folha de grafeno contínuo para cima de uma rede de difração de contraste dielétrico obtido pela alternância de linhas de SiO2 e Al2O3 sobre uma bolacha de silício intrínseco. Ambas as arquiteturas são baseadas em simulações teóricas desenvolvidas pelos membros da equipa, que publicaram recentemente resultados gerais num livro sobre a plasmónica do grafeno. As arquiteturas dosdispositivos são modelizadas por cálculos eletrodinâmicos, mais rápidos e produzindo melhores resultados do quea habitual integração das equações de Maxwell no domínio temporal. A alta sensibilidade dos métodos de deteção de superfície, incluindo a plasmónica de metais nobres convencional, torna-os particularmente vantajosos para analisar pequenas quantidades de biomoléculas. As propriedades únicas de acoplamento eletromagnético das excitações moleculares aos plasmões de superfície no grafeno abrem caminho à extensão do poder de análise destes sensores para além do estado da arte, em medidas feitas sem marcadores. A sintonização em tempo real das ressonâncias plasmónicas no grafeno permitirá a deteção espectroscópica, específica, de biomoléculas na presença do solvente e de outros sinais de fundo. Esta especificidade será assistida pelos efeitos estruturais, e.g., quirais, observáveis em medições dependentes da polarização. A especificidade e conteúdo de informação fornecidos por essas medidas serão ampliados pela excitação com radiação de elevada intensidade e sintonizável numa banda larga de THz, produzida pelo método de duas cores em plasma de ar, e pelas medidas de bombeamento-sondagem com resolução temporal possibilitadas pela fonte e pelo espectrómetro de THz desenvolvidos neste projeto. (AU)