[pt] Investigamos as propriedades ópticas de sistemas compostos por nanoilhas de ouro (Au) funcionalizadas com biotina, na superfície de monolitos de xerogéis de sílica (SiO2), visando desenvolvere uma plataforma para biossensores baseados na Ressonância de Plasmon de Superfície Localizada (LSPR), devido à sua elevada sensibilidade a alterações no ambiente químico próximo. Os xerogéis foram sintetizados por meio de um processo de sol-gel de catálise em duas etapas. Uma solução de água deionizada, etanol e tetraetil ortossilicato foi misturada sob agitação magnética a frio, com uma proporção molar de 8,5:3,5:1, e soluções de ácido clorídrico e hidróxido de amônio foram utilizadas como catalisadores para hidrólise e condensação, respectivamente, em moldes de polipropileno. Os géis foram envelhecidos nos moldes e convertidos em xerogéis por secagem a 600 graus C em um forno. Foi depositado um filme de Au de 20 nm na superfície dos xerogéis por sputtering. Em seguida, os xerogéis de sílica com filme de ouro (Au@SiO2) foram submetidos a um tratamento térmico em forno elétrico, para criar as nanoilhas de Au. Observou-se uma mudança de coloração, de azul para rosa, característica das AuNPs. Em seguida, os sistemas AuNP@SiO2 xerogéis foram funcionalizados em dois passos consecutivos com cisteamina (CA) e N-hidroxissuccinimidobiotina (NHSB) para a detecção de avidina em meio aquoso. O par biotina-avidina é um sistema amplamente conhecido para testar biossensores, devido à sua alta especificidade e sensibilidade muito baixa. O processo de funcionalização foi monitorado por absorbância óptica UV-vis para cada passo. Soluções aquosas com concentrações de avidina (10(-6) M, 10(-7) M, 10(-8) M, 10(-9) M e 10(-10M) foram utilizadas para testar a detecção e a sensibilidade. Observou-se um deslocamento médio de 52 nm na absorbância de todas as concentrações testadas, indicando que este sistema é promissor para aplicações em biossensores plasmônicos. / [en] In this study, the optical properties of systems composed of biotin-functionalized gold nanoislands on the surface of silica xerogel monoliths (SiO2) were investigated, aiming to develop an inorganic and inert solid platform for biosensors based on Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) due to their high sensitivity to changes in the nearby chemical environment. The silica xerogels were synthesized through a two-step catalytic sol-gel process, where a solution of deionized water, ethanol, and tetraethyl orthosilicate was mixed under cold magnetic stirring, with a molar ratio of 8.5:3.5:1, and solutions of hydrochloric acid and ammonium hydroxide were used as catalysts for hydrolysis and condensation, respectively, in polypropylene molds. Later, the gels were aged in molds and converted to xerogels by drying at 600 C degrees in an oven. To create the gold nanoislands, a thin film of 20 nm Au was deposited on one of the top surfaces of the xerogels by sputtering, and then the Au@SiO2 xerogels were subjected to heat treatment in an electric furnace. A color change of the samples from blue to pink was observed, characteristic of gold nanoparticles. Then, the AuNP@SiO2 xerogel systems were functionalized in two consecutive steps with cysteamine (CA) and N-hydroxysuccinimide-biotin (NHSB) for the detection of avidin in an aqueous solution. The biotin-avidin pair is a well-known system for testing biosensors, due to its high specificity and very low sensitivity. The functionalization process was monitored by UV-Vis optical absorbance for each step. Aqueous solutions with concentrations of avidin (10(-6) M, 10(-7) M, 10(-8) M, 10(-9) M and 10(-10) M) were used to test detection and sensitivity. An average shift of 52 nm was observed in the absorbance spectrum of all tested concentrations, indicating that this system is a promising structure for plasmonic biosensor applications.

[pt] O presente trabalho investiga a utilização de fibras ópticas em biossensoriamento e na indução de uma não-linearidade de segunda ordem para a construção de dispositivos sensores. O biossensor proposto tem por finalidade diagnosticar uma das doenças com maior incidência em países tropicais: a Dengue. Foi construído um sensor a fibra óptica que potencialmente é capaz de diagnosticar, num tempo curto, a presença do vírus da Dengue no sangue de um paciente infectado. Esse sensor usa nanopartículas de ouro, depositadas na extremidade de uma fibra óptica, que foram funcionalizadas com os anticorpos da Dengue (anti-NS1). O sensor é capaz de detectar o antígeno NS1 em diferentes concentrações com um limite de quantificação de 0.074 micrograma por mililitro, podendo ser explorado para uso na fase aguda da infecção.Outra vertente do trabalho é a possibilidade de se realizar modificações estruturais nas fibras ópticas com o intuito de alterar as propriedades ópticas da fibra. Através da técnica de polarização térmica, é possível gravar campos elétricos da ordem de 108 volts por metro no núcleo da fibra óptica, sendo possível utilizar as fibras polarizadas como moduladores de fase e de amplitude, seletores de pulso, chaves ópticas, voltímetros, entre outras. O trabalho de tese aqui descrito apresenta um estudo detalhado da polarização térmica em fibras ópticas através de simulações, utilizando o software COMSOL Multiphysics, considerando-se os diversos parâmetros envolvidos e geometrias diferentes de fibras, visando a obtenção de uma alta não-linearidade de segunda ordem. Além do mais, experimentos foram realizados a fim de se entender o mecanismo presente no processo de polarização térmica face aos resultados obtidos pela simulação. Buscou-se, também, entender o papel dos portadores de cargas presentes no material no processo de geração de não-linearidade de segunda ordem realizando-se experimentos de polarização óptica. / [en] The present work investigates the use of fiber optics in biosensing and the creation of a second order nonlinearity to be use in the development of sensor devices. The goal of the proposed biosensor is to diagnose one of the diseases with highest incidence in tropical countries: Dengue. Dengue is a dangerous disease that every year affects more and more people, despite the efforts made to deal with the transmitter, the mosquito Aedes aegypti. Furthermore, since Dengue symptoms resemble flu symptoms, wrong diagnoses are frequently made. As a consequence, wrong medicines may be prescribed, and that may lead the patient to death. Another problem in diagnosing Dengue is the long time is necessary for the laboratorial exams to give a result. In an attempt to offer a solution that could minimize these problems, an LSPR-based fiber optic sensor was adapted for antigen NS1 detection. This sensor is potentially able to perform a Dengue s virus diagnosis in a short period of time in an infected patient s blood. It uses gold nanoparticles that are functionalized with Dengue s antibodies. The antibody, anti-NS1, was immobilized in gold nanoparticles deposited at the endface of a multimode optical fiber. The LSPR sensor is able to detect different concentrations of the antigen NS1 with a limit of quantification equal to 0.074 microgram per milliliter, and may be used in the acute phase of the infection. Another part of the present work investigates the possibility of performing structural modifications in the optical fiber to change the optical properties of silica. Through the electro-thermal poling technique it is possible to record electric fields as high as 108 volts per meter in the core of the fiber, making possible the use of these modified fibers as phase and amplitude modulators, optical keys, pulse selectors, voltmeters, etc. This work also shows a very detailed study of electro-thermal poling in optical fiber through simulations, using the software Comsol Multiphysics, considering various parameters that are involved in the process in order to obtain high second order nonlinearity. Furthermore, experiments on eletro-optical poling were performed to investigate the mechanism involved in this poling process, in order to understand the role of the carriers present in the material in the generation of the second order nonlinearity.

[pt] Nanopartículas metálicas apresentam um pico no espectro de absorção devido ao efeito de LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance – Ressonância de Plasmon de Superfície Localizado). A posição espectral do pico depende da forma, do tamanho, do material das nanopartículas e do índice de refração do meio em que se encontra. Conhecendo como a posição espectral deste pico varia de acordo com o índice de refração externo, pode-se utilizar, em princípio, estas nanopartículas como elemento sensor para medir a refração de líquidos e gases. Um sensor de índice de refração foi desenvolvido fabricando-se nanopartículas metálicas na extremidade de uma fibra óptica. Estas nanopartículas foram fabricadas a partir de um filme de ouro evaporado na extremidade de uma fibra óptica que depois foi aquecida. As nanopartículas assim formadas possuem uma distribuição não homogênea de forma e tamanho. De forma a se obter um maior controle do tamanho e da forma das nanopartículas metálicas fabricadas para o desenvolvimento de um sensor óptico com maior controle dos parâmetros, foi investigada nesta dissertação a formação de nanopartículas de prata por síntese química. Diferentes processos para a síntese foram investigados. As nanopartículas de prata localizadas na extremidade da fibra óptica foram caracterizadas quanto à resposta do sinal de LSPR quando as nanopartículas estavam em contato com meios com diferentes índices de refração. Visando ainda a investigação de sistemas de fibras ópticas com aplicação em sensoriamento, foi realizada uma simulação da deformação de cavidades elípticas formadas no interior de fibras ópticas quando estas estão sujeitas à aplicação de uma tensão longitudinal da fibra. Este tipo de cavidade pode ser usada como sensor de deformação devido à interferência das múltiplas reflexões no interior da cavidade. / [en] Metallic nanoparticles show a peak in the absorption spectrum due to the Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) effect. The position of this peak depends on the shape, size and the type of the nanoparticles as well as on the refractive index of the surrounding media. From the dependence of the position of the peak with the external refractive index, it is possible to use these nanoparticles as a sensor element to measure the refractive index of liquids and gas. A refractive index sensor was developed with nanoparticles deposited at the end face of an optical fiber. These nanoparticles, fabricated from a heated gold film deposited at the end face of the fiber, have a non homogenous distribution of size and form. In order to obtain a better control of the size and form of the fabricated metallic nanoparticles, aiming the development of an optical sensor with control of the involved parameters, it was investigated in this work the formation of silver nanoparticles by chemical synthesis. Furthermore, extending the investigation of fiber optics systems with applications on sensing, it was performed a simulation of the deformation of elliptical air cavities, formed in the interior of optical fibers, under the effect of longitudinal stress along the fiber. This type of system can be used as a deformation sensor due to the multiple interference reflections in the interior of the cavity.