Plasmonic Au/Ag ordered nanoarrays for biosensing applications

Il tema centrale del presente lavoro di dottorato è lo studio e la nanofabbricazione di materiali plasmonici inovativi nanostrutturati per lo sviluppo di biosensori ottici label-free. La motivazione risiede nell'esigenza di identificare determinate specie biologiche in concentrazioni sempre minori (inferiore al picomolare) e con una tecnologia di rilevazione altamente sensibile e specifica, al fine di rilevare la presenza di processi biologici normali o alterati. Nello stesso tempo si richiede una rilevazione veloce, semplice e che non necessiti di un marcatore ottico. Le innovative proprietà plasmoniche che caratterizzano i nanomateriali costituiti da metalli nobili (Au,Ag) sono state investigate per applicazioni biosensoristiche fin dal 1983. Queste proprietà plasmoniche derivano dall'interazione di una radiazione elettromagnetica con i metalli nanostrutturati; i.e. strutture metalliche con dimensioni dell'ordine o minore della lunghezza d'onda della radiazione incidente nel range del Vis-NIR, e si basano sulla risonanza plasmonica superficiale (SPR). Dispositivi biosensoristici basati sulla SPR di film sottili di oro (spessore inferiore a 100 nm) accoppiati con un prisma, sono in commercio dal 1990. Questi sistemi permettono di monitorare interazioni biomolecolari e di quantificare una vasta gamma di specie chimiche e biologiche, fino a concentrazioni dell'ordine del nanomolare. La comunità scientifica è fortemente attiva nel cercare di ottimizzare le prestazioni dei sensori SPR in termini di sensibilità, specificità e limite di rilevazione. Il presente lavoro si basa sull'applicazione delle proprietà SPR di nanoarray ordinati a base di Au e Ag per la rilevazione di molecole biologiche, al fine di investigarne ed ottimizzarne le prestazioni. Il meccanismo di sensing si basa sulla variazione della SPR per variazioni di indice di rifrazione, che sono dovuti all'immobilizazione di molecole analita sulla superficie dei nanoarray. Sono state studiate tre classi di nanoarray costituiti da metalli nobili: (i) semi-nanoshell array, (ii) nanoprism array and (iii) nanohole array. Oro ed Argento sono i migliori candidati per applicazioni nel campo della plasmonica per le loro proprietà intrinseche di interazione con la radiazione elettromagnetica, in particolare nelle frequenze del visibile e del vicino infrarosso. I nanoarray sono stati sintetizzati mediante la tecnica di Litografia a Nanosfere, e sono costituiti da array esagonali di nanounità, cresciute in forma di nanoprismi, semi-nanoshells e nanoholes. La tecnica di sintesi utilizzata permette di controllare finemente la morfologia e le dimensioni delle nanounità e, di conseguenza, le rispettive proprietà ottiche. I sistemi costituiti da nanoprismi o semi-nanoshells sono caratterizzati da un'elevata amplificazione di campo elettromagnetico sulla loro superficie, la quale è dovuta all'eccitazione della SPR; per questo motivo questi sistemi potrebbero essere molto interessanti per la rilevazione di spessori molto piccoli di molecole analita con un basso peso molecolare. I nanoholes arrays sono caratterizzati dalla Trasmissione Ottica Straordinaria (EOT), che può invece essere investigata per la rilevazione di molecole di grande dimensione come virus o batteri. Tutti i campioni sono stati funzionalizzati con con lo stesso protocollo di funzionalizazione basato su una coppia modello di molecole biologiche recettore-analita (biotina-streptavidina). Le proprietà di sensing sono state investigate esponendo i campioni funzionalizzati con uno specifico recettore, a differenti concentrazioni della molecola analita. Inoltre è stata misurata la sensibilità locale e bulk in risposta alle variazioni di indice di rifrazione. I risultati sperimentali sono stati anche confrontati con dei modelli teorici ottenendo un buon accordo tra il dato sperimentale e quello simulato. I nanoprismi di argento sono stati anche studiati come possibili substrati per la spettroscopia SERS. I campioni sono stati ossidati con diversi trattamenti al fine di analizzare l'effetto dell'ossido sul segnale SERS. I risultati ottenuti nel prente lavoro hanno mostrato come le tre tipologie di nanostrutture studiate mostrino performance che sono allo stato dell'arte rispetto ai valori di letteratura.