Principios de análisis instrumental

538 Capítulo 21 Caracterización de superficies por espectroscopia y microscopía ((( Aire o agua litt semicilíndrico Ángulo, IJ FIGURA 21.13 Resonancia de plasmones en superficie. La radia- ción láser se acopla en un sustrato de vidrio revestido con una fina capa de metal mediante un prisma semicilíndrico. Si se produce una reflexión interna totaL se genera una onda evanescente en el medio con índice de refracción menor. Esta onda tiene la capacidad de excitar ondas de plasmones superficiales. Si el ángulo es el apropiado para que haya resonancia de plasmones, se observa una disminución abrupta en la intensidad reflejada en el detector. 21E.1 Resonancia de plasmones en superficie Las ondas de plasmones superficiales son de naturaleza electromag– nética, se propagan en el plano xy de una película metálica cuando los electrones libres interactúan con los fotones. Una manera fácil de lograr la condición de resonancia es hacer arreglos para que haya reflexión interna total en una interfase, como se ilustra en la figura 21.13. En este caso, un haz de luz monocromática proce– dente de un láser se propaga en un medio cuyo índice de refracción es alto, como el vidrio. Si la radiación choca contra una interfase de un medio con índice de refracción más bajo, como el aire o el agua, puede producirse una reflexión interna total si el ángulo de incidencia es mayor que el ángulo crítico. La radiación se enfoca y se acopla en la interfase mediante un acoplador de prisma o una red de difracción. Con una reflexión interna total se genera una onda evanescente (véase la sección 17B.3) en el medio cuyo índice de refracción es inferior, la cual disminuye en forma exponencial con la distancia desde la interfase. Como se vio en el capítulo 17, la onda evanescente puede absorberse en el medio menos denso y el haz es atenuado por la reflectancia atenuada total. Si la interfase de reflexión interna se reviste con un mate– rial conductor, como una película fina de metal, el componente polarizado p de la onda evanescente puede penetrar la capa metá– lica y provocar ondas de plasmones en la superficie. Si el metal no es magnético, como una capa de oro, la onda de plasmones superficiales también es polarizada p, con lo cual se crea una onda evanescente intensificada. Debido a la penetración del campo eléctrico en el medio con índice de refracción menor, la interac– ción es bastante sensible al índice de refracción en la superficie de la película metálica. Cuando el ángulo es adecuado para la resonancia de plasmones en (SPR), se observa una disminución abrupta en la intensidad reflejada, como se ve en la figura 21.13. La condición de resonancia se puede relacionar con el índice de refracción de la película metálica y se usa para medir esta canti– dad y otras propiedades de la superficie. El aspecto más interesante de la resonancia de plasmones en superficie es su sensibilidad respecto a los materiales adsor– bidos en la película metálica y a las interacciones de éstos, sobre todo cuando se trata de biomoléculas. 16 Con frecuencia hay una relación lineal entre la energía resonante y la concentración de materiales importantes desde el punto de vista biológico, como azúcares, moléculas de ADN y proteínas. A causa de esta sensibi– lidad, la técnica se ha vuelto importante para los biosensores. 17 En este caso, las interacciones biomoleculares, como la unión anticuer– po-antígeno o el de la enzima y el sustrato, se producen en la super– ficie del sensor. Dichas interacciones alteran el índice de refracción y cambian el ángulo de resonancia de los plasmones necesario para lograr la resonancia. El ángulo de resonancia de los plasmones, 8sPR• se puede controlar en función del tiempo para obtener información de las propiedades cinéticas de las reacciones de enlace en la super– ficie. Ya hay en el comercio instrumentos para esta técnica. Se vislumbran muchas otras aplicaciones de las ondas de plasmones en superficie, entre las que se incluyen dispositivos miniaturizados, como filtros, polarizadores y fuentes de luz. Este campo ha sido denominado plasmónica molecular. 18 21E.2 Generación de frecuencia resultante La generación de frecuencia resultante (SFG) es una técnica óptica no lineal basada en la interacción de dos fotones en una superficie. 19 El resultado de la interacción de la mezcla de ondas es la produc– ción de un solo fotón cuya frecuencia es la suma de las frecuencias incidentes. Si los dos fotones incidentes son de la misma frecuen– cia, la técnica se llama generación de la segunda armónica porque el fotón saliente tiene una frecuencia que es el doble de la de los fotones incidentes. Como se trata de un proceso débil de segundo orden, se deben usar rayos láser intensos. La SFG se puede aplicar a interfases sólido-líquido, sóli– do-gas, líquido-gas o líquido-líquido. El proceso se vuelve más efectivo cuando la frecuencia incidente o la frecuencia de salida corresponde a una transición electrónica o vibracional permitida. Por lo regular, una de las fuentes es un rayo láser sintonizable para permitir la variación de la frecuencia incidente. Una de las técnicas posibles de generación de frecuencia resul– tante más útil es la espectroscopia vibracional de frecuencia resultante, en la cual uno de los rayos incidentes está en la región infrarroja del espectro y el otro se sitúa en la región visible. 20 En la figura 21.1 4 se muestran dos configuraciones que se pueden usar. En la figura 21.14a se ilustra la configuración para estudiar la interfase entre dos líquidos inmiscibles como agua y CC1 4 . En este caso, se aplica un acomodo de reflexión interna total. En la figura 21.14b se muestra una configuración de reflexión interna para estudiar una interfase aire-agua. La frecuencia resultante también se podría recolectar en el modo de transmisión y no en los modos de reflexión mostrados. En ambos casos, se utilizan rayos láser de pulsos de alta intensidad. Los rayos láser más comunes para la SFG vibracional son Nd-YAG y zafiro-Ti. Se han usado varias combi– naciones para proporcionar radiación sintonizable IR y radiación visible de frecuencia fija. Los impulsos tienen que traslaparse en 16 ). Homola, Anal. Bioana l. Chem., 2003, 377, p. 528, DOI: 10.1007/ s00216-003-21O1-0. 17 Véase O. R. Bolduc y j.-F. Masson, Anal. Chem., 2011, 83, p. 8057, DOI: 10.1021/ ac2012976. 18 R. P. van Duyne, Science, 2004,306, p. 985, DOI: 10.1126/sicence. l!04976. 19 Véase M. E. Pemble y P. Gardner, en Surface Analysis-The Principal Teclmiques, 2a. ed., ). C. Vickerman e l. S. Gilmore, eds., Chichester, UK: Wiley, 2009, cap. 7. 20 M. R. Watry, M. G. Brown y G. L. Richmond, Appl. Spectrosc., 2001, 55, p. 321A, DOI: 10.1366/00037020 1195344 1.