Simulasi Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) pada Nanopartikel Logam Cu, Au, dan Ag (sphere, triangle, rod) untuk Sensor Glukosa pada Urine dengan MATLAB

ABSTRAK:

Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) merupakan fenomena osilasi kolektif
elektron bebas pada permukaan nanopartikel logam ketika berinteraksi dengan gelombang
elektromagnetik. Penelitian ini bertujuan untuk mensimulasikan karakteristik optik LSPR
pada nanopartikel logam tembaga (Cu), emas (Au), dan perak (Ag) dengan variasi bentuk
nanosphere, nanorod, dan nanotriangle sebagai kandidat sensor glukosa pada urine. Simulasi
dilakukan menggunakan perangkat lunak MATLAB dengan memanfaatkan model teoritis
berdasarkan fungsi dielektrik logam dan pengaruh indeks bias medium. Parameter yang
dianalisis meliputi spektrum absorbansi, scattering, dan extinction pada rentang panjang
gelombang tampak hingga inframerah dekat. Variasi konsentrasi glukosa dimodelkan
melalui perubahan indeks bias larutan urine sehingga dapat diamati pergeseran panjang
gelombang resonansi (red shift) yang terjadi. Hasil simulasi menunjukkan bahwa setiap
logam dan bentuk nanopartikel memiliki karakteristik resonansi yang berbeda.
Nanopartikel Ag menghasilkan puncak resonansi dengan intensitas extinction tertinggi,
sedangkan Au menunjukkan kestabilan optik yang baik dan Cu memiliki resonansi pada
panjang gelombang yang lebih panjang. Selain itu, bentuk nanotriangle dan nanorod
menghasilkan sensitivitas yang lebih tinggi dibandingkan nanosphere karena distribusi
medan elektromagnetik yang lebih kuat pada ujung-ujung partikelnya. Peningkatan indeks
bias akibat kenaikan konsentrasi glukosa menyebabkan terjadinya pergeseran puncak
resonansi ke arah panjang gelombang yang lebih besar. Hasil penelitian ini menunjukkan
bahwa nanopartikel logam berbasis LSPR berpotensi digunakan sebagai sensor glukosa
non-invasif dengan sensitivitas yang dipengaruhi oleh jenis logam dan geometri
nanopartikel.

ABSTRACT:

Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) is a phenomenon involving the collective oscillation of free electrons on the surface of metallic nanoparticles when interacting with electromagnetic waves. This study aims to simulate the optical characteristics of LSPR in copper (Cu), gold (Au), and silver (Ag) nanoparticles with various geometries, namely nanosphere, nanorod, and nanotriangle, as potential candidates for urine glucose sensing applications. The simulation was conducted using MATLAB based on theoretical models incorporating the dielectric functions of metals and the influence of the surrounding medium's refractive index. The analyzed parameters include absorption, scattering, and extinction spectra within the visible to near-infrared wavelength range. Variations in glucose concentration were modeled through changes in the refractive index of urine, allowing the observation of resonance wavelength shifts (red shifts). The simulation results indicate that each metal and nanoparticle geometry exhibits distinct resonance characteristics. Silver (Ag) nanoparticles produce the highest extinction peak intensity, while gold (Au) demonstrates good optical stability and copper (Cu) exhibits resonance at longer wavelengths. Furthermore, nanotriangle and nanorod geometries show higher sensitivity than nanosphere structures due to stronger electromagnetic field enhancement at their sharp edges and tips. An increase in the refractive index caused by higher glucose concentrations results in a shift of the resonance peak toward longer wavelengths. These findings suggest that LSPR-based metallic nanoparticles have significant potential for non-invasive glucose sensing, with sensitivity strongly influenced by both the metal type and nanoparticle geometry

مستخلص البحث:

دالرنينالبالزمونيالسطحيالموضعيظاهرةتتمثلفيالتذبذبالجماعيلإللكتروناتالحرةعلىسطحالجسيمات النانويةالمعدنيةعندتفاعلهامعالموجاتالكهرومغناطيسية.يهدفهذاالبحثإلىمحاكاةالخصائصالبصريةللرنينالبالزمونيالسطحي الموضعيفيالجسيماتالنانويةالمعدنيةمنالنحاسوالذهبوالفضةبأشكالمختلفةهي:الكروي،والعصوي،والمثلثي،بوصفها مرشحاتمحتملةالستشعارالجلوكوزفيالبول.أُجريتالمحاكاةباستخدامبرنامجماتالبباالعتمادعلىنموذجنظريقائمعلىالدالة العازلةللمعادنوتأثيرمعاملانكسارالوسطالمحيط.وشملتالمعلماتالمدروسةأطيافاالمتصاصوالتشتتواالنقراضضمننطاق األطوالالموجيةالمرئيةوحتىاألشعةتحتالحمراءالقريبة.وقدتتمثيلتغيرتركيزالجلوكوزمنخاللتغييرمعاملانكسارمحلول.البول،مماأتاح مالحظةانزياحطولموجةالرنيننحواألطوالالموجيةاألكبر)االنزياحاألحمر(. أظهرتنتائجالمحاكاةأنلكلنوعمنالمعادنوأشكالالجسيماتالنانويةخصائصرنينيةمختلفة.فقدأظهرتالجسيماتالنانوية الفضيةأعلىشدةلقمةاالنقراض،فيحينأظهرالذهباستقرارًابصريًاجيدًا،بينماظهررنينالنحاسعندأطوالموجيةأطول. باإلضافةإلىذلك،أظهرتاألشكالالمثلثيةوالعصويةحساسيةأعلىمقارنةبالشكلالكروي،وذلكبسببالتوزيعاألقوىللمجال الكهرومغناطيسيعندالحوافواألطرافالحادةللجسيمات.كما.أنزيادةمعاملاالنكسارالناتجةعنارتفاعتركيزالجلوكوزتؤديإلى انتقالقمةالرنيننحوأطوالموجيةأكبروتشيرهذهالنتائجإلىأنالجسيماتالنانويةالمعدنيةالمعتمدةعلىظاهرةالرنينالبالزموني السطحيالموضعيتمتلكإمكاناتواعدةلالستخدامكمستشعراتغيرجراحيةللجلوكوز،حيثتتأثرحساسيتهابنوعالمعدنوالهندسة.الشكلية للجسيماتالنانوية