Projeto, modelagem e validação experimental de sensores SPR multicamadas para detecção de acetona na faixa UV-visível

Abstract

O diagnóstico médico não invasivo tem impulsionado o desenvolvimento de novas abordagens para a detecção de biomarcadores, com destaque para a análise de compostos orgânicos voláteis (VOCs) presentes no ar exalado humano. Esses compostos estão associados a processos metabólicos e podem refletir alterações fisiológicas e patológicas, tornando-se candidatos relevantes para a classificação e o monitoramento de doenças em contextos clínicos. Entretanto, a viabilização do monitoramento cotidiano desses elementos ainda depende do desenvolvimento de dispositivos capazes de realizar a coleta e a análise de amostras de forma eficiente e confiável. Além disso, a detecção dessas espécies em baixas concentrações impõe desafios significativos relacionados à sensibilidade e à estabilidade dos sistemas de medição. Nesse contexto, sensores baseados em Ressonância de Plasmon de Superfície (SPR) apresentam-se como uma alternativa promissora, em virtude de sua elevada sensibilidade a variações do índice de refração na interface sensora. Diante desse cenário, este trabalho adota a acetona como estudo de caso, sendo investigada como analito representativo para a avaliação do desempenho de sensores SPR. A tese desenvolve-se a partir de duas investigações teóricas e uma etapa experimental. Inicialmente, foi conduzido um estudo voltado à seletividade do sensor, no qual se avaliou a influência da incorporação de diferentes materiais de sobrecamada, incluindo grafeno, quitosana e polianilina, sobre a resposta do sistema, evidenciando a dependência crítica da interação entre material, analito e meio. Em seguida, foi realizada uma análise teórica da sensibilidade, na qual foram propostos critérios de projeto para sensores SPR multicamadas, com foco na identificação e otimização dos pontos de máxima sensibilidade. Como parte dessa análise, foi realizada uma avaliação crítica da adoção do comprimento de onda de 633 nm em sensores operando no modo angular, amplamente difundido na literatura. Com base nos resultados teóricos, fundamentou-se a escolha do alumínio para a etapa experimental, devido à sua capacidade de viabilizar a operação em faixas espectrais mais amplas, incluindo regiões próximas ao ultravioleta. No entanto, limitações instrumentais associadas à polarização restringiram a avaliação experimental à região de transição UV?visível, direcionando a análise para a caracterização do comportamento sensorial em cenários com restrições espectrais e de polarização. Nessas condições, foram identificados regimes de operação nos quais a resposta do sensor mantém comportamento linear em função da concentração do analito, mesmo diante dessas limitações. A tese é concluída destacando as contribuições para a caracterização de limitações e o estabelecimento de novos critérios de projeto de sensores SPR, reforçando seu potencial como plataforma versátil para a detecção de acetona, com aplicações na análise do ar exalado humano.

Abstract: Non-invasive medical diagnostics have driven the development of new approaches for biomarker detection, with particular emphasis on the analysis of volatile organic compounds (VOCs) present in exhaled human breath. These compounds are associated with metabolic processes and may reflect physiological and pathological alterations, making them relevant candidates for disease classification and monitoring in clinical contexts. However, enabling the routine monitoring of these elements still depends on the development of devices capable of efficiently and reliably collecting and analyzing samples. Furthermore, the detection of these species at low concentrations poses significant challenges related to sensitivity and stability of measurement systems. In this context, sensors based on Surface Plasmon Resonance (SPR) emerge as a promising alternative due to their high sensitivity to variations in the refractive index at the sensing interface. Within this framework, this work adopts acetone as a case study, investigating it as a representative analyte for evaluating the performance of SPR-based sensors. The thesis is structured around two theoretical investigations and one experimental study. Initially, a study focused on sensor selectivity was conducted, in which the influence of incorporating different overlayer materials?including graphene, chitosan, and polyaniline?on the system response was evaluated, highlighting the critical dependence of the interaction between material, analyte, and medium. Subsequently, a theoretical analysis of sensitivity was carried out, proposing design criteria for multilayer SPR sensors, with emphasis on identifying and optimizing points of maximum sensitivity. As part of this analysis, a critical assessment of the widely adopted use of a fixed wavelength of 633 nm in angular interrogation SPR systems was performed. Based on the theoretical findings, aluminum was selected for the experimental implementation due to its ability to enable operation over broader spectral ranges, including regions near the ultraviolet. However, instrumental limitations related to polarization restricted the experimental evaluation to the UV?visible transition region, directing the analysis toward the characterization of sensor behavior under constrained spectral and polarization conditions. Under these conditions, operating regimes were identified in which the sensor response maintains a linear relationship with analyte concentration, even in the presence of such limitations. The thesis concludes by highlighting contributions to the characterization of limitations and the establishment of new design criteria for SPR sensors, reinforcing their potential as a versatile platform for acetone detection, with applications in the analysis of exhaled human breath.