Biosensores plasmónicos

Empecemos por el color

El vidrio rojo rubí de las vidrieras medievales lleva oro coloidal. Los artesanos no sabían por qué funcionaba; Faraday, en 1857, sospechó que el color venía del tamaño de las partículas, y Gustav Mie lo resolvió en 1908 con la electrodinámica clásica.

La explicación es que, en una partícula mucho más pequeña que la longitud de onda, el campo eléctrico de la luz desplaza la nube de electrones de conducción en bloque. Los iones positivos tiran de vuelta. El resultado es un oscilador, con su frecuencia de resonancia propia. A esa frecuencia, la partícula absorbe y dispersa muchísimo más de lo que le correspondería por su tamaño.

Qué es la LSPR

Esa oscilación colectiva confinada en la nanopartícula es la resonancia de plasmón superficial localizado, o LSPR por sus siglas en inglés. «Localizado» la distingue del plasmón que se propaga por una película metálica extensa, que es la base de los equipos SPR clásicos.

En la aproximación dipolar, la respuesta de una esfera pequeña se describe por su polarizabilidad:

α(ω) = 4πr³ · [ε(ω) − ε_m] / [ε(ω) + 2ε_m]

Donde ε(ω) es la función dieléctrica del metal y ε_m la del medio que lo rodea. Mirando el denominador se ve dónde está la gracia: cuando se acerca a cero, la polarizabilidad se dispara. Esa condición,

Re[ε(ω)] = −2ε_m

es la condición de Fröhlich, y es la resonancia. Que exija una parte real negativa de la función dieléctrica explica por qué esto solo ocurre en metales, y por qué la plata y el oro son los materiales de referencia: tienen la parte real suficientemente negativa en el visible y pérdidas relativamente bajas.

Cómo se sintoniza la resonancia

Cuatro perillas, y todas se usan en la práctica.

Material

La plata amplifica más y se oxida antes. El oro amplifica menos, es biocompatible y estable. Las aleaciones oro-plata existen precisamente para negociar ese compromiso.

Tamaño

En esferas pequeñas la resonancia apenas se mueve; al crecer, se desplaza hacia el rojo y se ensancha, porque empiezan a contar términos multipolares que la aproximación dipolar ignora.

Forma

Es la perilla más potente. Una esfera tiene un solo modo; una varilla tiene dos, uno transversal y otro longitudinal que se desplaza al infrarrojo conforme se alarga. Y una nanoestrella concentra el campo en las puntas, donde la curvatura es extrema.

Esto último tiene una consecuencia muy concreta para SERS: las nanoestrellas desplazan la resonancia hacia el infrarrojo cercano, que es justo donde emiten los láseres de 785 nm habituales en instrumentación Raman. Y el infrarrojo cercano es también la ventana donde el tejido y el suero absorben menos y fluorescen menos.

Medio

La resonancia depende de ε_m, es decir, del índice de refracción de lo que rodea a la partícula. Ésta es la base del sensado plasmónico directo: cuando una proteína se une a la superficie, el índice local cambia y la resonancia se desplaza unos nanómetros. Ese desplazamiento es la señal.

Sustratos reales

Un sustrato plasmónico útil necesita tres cosas a la vez: amplificar mucho, hacerlo de forma uniforme y aguantar el proceso de funcionalización. Las familias que se trabajan hoy:

• Coloides de nanoestrellas de plata o de aleación Au-Ag. Amplificación alta gracias a las puntas; el reto es la uniformidad entre lotes.
• Híbridos metal-semiconductor —Ag/ZnO, Ag/TiO₂, Cu(OH)₂/Ag—. El semiconductor aporta soporte ordenado y una vía adicional de transferencia de carga; el metal, el plasmón.
• Sustratos litografiados. Uniformidad excelente y coste alto. Son la referencia contra la que se comparan los métodos químicos.

El Laboratorio de Biosensores Plasmónicos de MICRONA trabaja las dos primeras familias, con anodizado de TiO₂ y crecimiento hidrotermal de ZnO como rutas de fabricación.

Dónde aprieta

• Pérdidas óhmicas. Parte de la energía del plasmón acaba en calor. Eso ensancha la resonancia y limita la amplificación alcanzable.
• Uniformidad. Si los puntos calientes se reparten mal, la medida depende de dónde apuntes el láser.
• Estabilidad coloidal. Las nanopartículas tienden a agregarse. El estabilizante que lo evita ocupa la superficie y compite con el analito.

Si has llegado hasta aquí, el siguiente paso lógico es cómo se usa este campo para amplificar una señal molecular.