Development and characterization of grating-coupled surface plasmon resonance sensors for medical and biological applications

Il tema principale dell’attività di ricerca che ho svolto durante il mio periodo di Dottorato in Scienza e Tecnologia dell’Informazione è stato lo studio e lo sviluppo di sensori basati sull’effetto di risonanza plasmonica per la rilevazione di molecole di interesse medico e biologico. In particolare, tra le varie configurazioni che permettono l’eccitazione plasmonica, mi sono focalizzata sullo studio dei reticoli nanostrutturati, i quali permettono di raggiungere elevate sensibilità, se paragonati ai dispositivi accoppiati con prisma, e di miniaturizzare e integrare il sistema di misura come obiettivo nel lungo periodo. Inizialmente la mia attività si è concentrata sullo sviluppo di un banco opto-elettronico che permettesse di rilevare il segnale plasmonico e trasdurlo in un segnale elettrico. Il banco doveva essere in grado di variare indipendentemente alcuni parametri determinanti per l’eccitazione plasmonica, ossia l’angolo di incidenza del fascio laser, l’angolo azimutale tra il piano di scattering e il vettore del reticolo, e la polarizzazione della luce incidente. La luce modulata dal reticolo viene poi trasformata in corrente elettrica attraverso un array di fotodiodi, e quindi acquisita attraverso un analizzatore di parametri. Ho mirato a realizzare un banco molto versatile in modo da poter effettuare misure sia di riflettanza, andando ad analizzare la luce riflessa dal reticolo, sia di trasmittanza, analizzando la luce trasmessa dal campione. L’introduzione di uno stadio motorizzato ha permesso di rendere la misura più automatizzata e gestibile via software, attraverso un programma custom sviluppato in LabVIEW, e lasciando manuali solo pochi passaggi iniziali. Ho analizzato tre tipologie diverse di reticoli: - Reticolo d’oro con superficie sinusoidale, ottimizzato per effettuare misure in riflessione con modulazione della polarizzazione della luce incidente, sfruttando l’aumento di sensibilità derivante dall’angolo azimutale non nullo. Tale reticolo è stato fornito dal laboratorio LaNN (Laboratorio di ricerca per la Nanofabbricazione e i Nanodispositivi) del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) di Padova. Il reticolo è stato realizzato attraverso litografia interferenziale di uno strato di fotoresist deposto su un vetrino (o silicio), da cui è stato ricavato uno stampo che permette la replica della nano struttura; infine, attraverso un’evaporazione termica, è stato depositato uno strato d’oro. Inizialmente ho analizzato il reticolo in condizione “fresh”; successivamente ho effettuato misure di “bulk” con indici di rifrazione diversi, per poter stimare la sensibilità del sensore. Ho poi misurato la capacità del dispositivo nel rilevare molecole di interesse biologico, dapprima attraverso prove di rilevazione di avidina presente in una soluzione, sfruttando il legame avidina-biotina, poi con prove di rilevazione di singole catene di DNA, attraverso l’immobilizzazione sulla superficie della nanostruttra di acido peptidonucleico (PNA) complementare. - Reticolo d’oro digitale, ideato per sfruttare il fenomeno di trasmissione straordinaria della luce. Tale reticolo è stato realizzato dal laboratorio LaNN del CNR di Padova attraverso la tecnica di litografia a fascio di elettroni (Electron Beam Lithography-EBL) e nasce con l’obiettivo di creare un sistema di rilevazione estremamente semplice, poiché l’unico parametro di sensing, e quindi variabile, è la polarizzazione della luce incidente. La capacità del sistema di discriminare variazioni superficiali di indice di rifrazione è stata valutata funzionalizzando il reticolo con dodecanethiol, ossia una molecola composta da una catena di dodici atomi di carbonio in grado di formare uno strato di dimensioni e indice di rifrazione noti. - Reticolo trapezoidale in argento, nato dalla collaborazione con lo Spin-Off Next Step Engineering, che mi ha coinvolta nell’ultimo periodo di dottorato. Infatti, ho partecipato in prima persona alla realizzazione del sensore, sfruttando le facilities industriali a cui l’azienda ha accesso, permettendo di produrre dispositivi a basso costo e in elevate quantità, quindi adatti ad un utilizzo di tipo “usa e getta”. Il processo di fabbricazione prevede la realizzazione di uno stampo attraverso litografia interferenziale, una fase di replica a stampo su substrato polimerico e la deposizione di uno strato metallico per polverizzazione catodica. Tali sensori sono stati ottimizzati per la misura della luce trasmessa e si è analizzato il comportamento al variare dell’angolo di incidenza e dell’angolo azimutale. Si è quindi misurato il comportamento del sensore in presenza di bulk ad indici di rifrazione diversi per la stima della sensibilità, e successivamente si sono effettuate misure funzionalizzando il campione con alcantioli di diversa lunghezza. I risultati sperimentali sono stati confrontati con quelli ottenuti dalle simulazioni. Infatti si è studiato il comportamento di ogni reticolo attraverso metodi di simulazione diversi. In particolare il reticolo digitale in oro è stato studiato attraverso il metodo degli elementi finiti (FEM) implementato in COMSOL Multiphysics, il modello vettoriale è stato applicato sia per lo studio del reticolo sinusoidale in oro che del reticolo trapezoidale in argento. Quest’ultimo reticolo è stato analizzato anche attraverso il metodo RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis). Come già accennato, durante l’ultimo periodo di dottorato ho contribuito a sviluppare, in collaborazione con lo Spin-Off dell’università di Padova Next Step Engineering, un innovativo processo di produzione industriale che consente di creare non solo reticoli per la rilevazione di segnali plasmonici, ma anche dispositivi ibridi elettronici/microfluidici per applicazioni biologiche e mediche, all’interno di una singola linea produttiva automatizzata. Con questo processo ho prodotto i reticoli in argento, che ho utilizzato per la mia attività sperimentale. Il processo di produzione è oggetto di un brevetto italiano attualmente in fase di deposito, di cui sono uno degli inventori. Durante il dottorato ho approfondito anche lo sviluppo di dispositivi microfluidici sia attraverso tecniche di incisione polimerica, in grado di creare profili di taglio netti senza deformarne la struttura planare, sia apportando le appropriate modifiche al processo produttivo utilizzato da Next Step Engineering, precedentemente citato. I dispositivi realizzati sono stati utilizzati per le misure di bulk a diversi indici di rifrazione utilizzando i reticoli in argento.