Nanoantennas and biosensors: an integrated approach

Ricardo Alexandre Marques Lameirinhas

Key information

Authors:

Ricardo Alexandre Marques Lameirinhas (Ricardo Alexandre Marques Lameirinhas)

Supervisors:

João Paulo Neto Torres (João Paulo Neto Torres); Antonio Carlos de Campos Simões Baptista (António Carlos De Campos Simões Baptista); João Marques Martins

Published in

11/04/2024

Abstract

As interações luz-matéria são estudadas desde o século XV. Contudo, fenómenos como a Transmissão Ótica Extraordinária só foram observados com o aparecimento da nanotecnologia. Em 1998, Ebessen realizava estudos em nano-estruturas metálicas quando observou uma maior intensidade luminosa do que a prevista classicamente. Os modelos eletromagnéticos para nanoantenas operam normalmente no domínio da frequência. Todavia, os resultados no domínio do tempo são igualmente importantes e mais vantajosos, por exemplo, na propagação de impulsos de luz. Propõe-se uma nova metodologia baseada nas equações de Maxwell, no traçado de raios e nos coeficientes de Fresnel em meios absorventes. Desenvolve-se um modelo estocástico para obter a resposta de dispositivos óticos baseado no dualismo onda-partícula. Literatura recente mostra que, no visível e infravermelho próximo, deve- se considerar ambos os comportamentos e não apenas o ondulatório ou corpuscular. Trata-se de uma formulação no domínio do tempo, mas podem também ser obtidos resultados no domínio da frequência. Mostra-se que alguns fotões no alvo são retransmitidos pelo metal dependendo dos meios envolventes. Varia-se o índice de refração entre 1,30 e 1,41, caraterizando tecidos humanos, ADN ou hemoglobina. Biossensores ultrarrápidos baseados numa nanoantena de ouro são propostos considerando variações da intensidade em regime estacionário (obtendo 10-40 %/RIU), o ponto médio de estabilização (30-60 %/RIU) e a sua largura em torno do máximo (600-800 nm/RIU). A estabilização da resposta varia entre 4,5-8 fs. Os melhores comprimentos de onda para operar são 350 nm e 600 nm. Porém, a sensibilidade da intensidade aumenta interrompendo-se a emissão antes da estabilização da resposta. Estes resultados sugerem a concetualização de um biossensor ultrarrápido e de baixa potência à escala nanométrica. Light-matter interactions have been studied since the XV century. However, novel phenomena as the Extraordinary Optical Transmission were only observed with the nanotechnology emergence. In 1998 Ebessen was conducting studies at metallic nanoarrays when observed more intense light peaks than classically predicted. The electromagnetic wave models of nanoantennas usually operate in the frequency domain. However, time domain results are just as important and more advantageous, for example, in light pulse propagation. A novel methodology is proposed based on Maxwell’s equations, ray tracing and Fresnel Coefficients in absorbing media. A stochastic model is developed to obtain the response of optical devices based on wave-particle dualism. Recent literature shows that in the visible and near-infrared one may consider both approaches than using just the wave or the particle formalism. Although it is a time domain formulation, frequency domain results can also be obtained. Results show that some photons on the target are re-transmitted by the metal depending on the surrounding media. Refractive index with values spanning from 1.30 to 1.41, characteristic of some human tissues, DNA, or haemoglobin are considered for the application to biosensors. Ultrafast biosensors based on a gold nanoantenna are designed considering variations of the steady-state intensity (obtaining 10-40 %/RIU), settling time middle point (30-60 %/RIU) and its width around the maximum (600-800 nm/RIU). The response settling time is around 4.5-8 fs. The best wavelengths to exploit these indicators are 350 nm and 600 nm. However, the intensity sensitivity increases by stopping the emission before the response settles. These results suggest the design of an ultrafast and low-power biosensor at nanoscale.