Plasmonic nanostructures for the realization of sensor based on surface enhanced Raman spectroscopy

La Plasmonica si occupa dell’interazione di una radiazione elettromagnetica di opportuna lunghezza d’onda con gli elettroni di conduzione di un metallo. L’oscillazione collettiva degli elettroni, indotta da questa interazione, è chiamata appunto Risonanza Plasmonica. La risonanza plasmonica di superficie localizzata avviene quando gli elettroni coinvolti sono quelli di superficie di un metallo nanostrutturato con dimensioni minori o comparabili alla lunghezza d’onda di eccitazione. Da questa eccitazione deriva una forte amplificazione del campo elettromagnetico locale, localizzato nelle immediate vicinanze della nanostruttura metallica. Tale amplificazione, unita a una tecnica di rivelazione spettroscopica specifica, quale la spettroscopia Raman, può essere sfruttata per la realizzazione di sensori molecolari. La tecnica Raman è conosciuta come altamente specifica, perché in grado di fornire uno spettro caratteristico della singola molecola, identificandone univocamente la presenza e la costituzione. La sua maggiore limitazione, però, è la bassa sensibilità. Ponendo l’analita in prossimità di un substrato plasmonico, proprio nella regione di forte amplificazione del campo locale, la sensibilità di rivelazione viene fortemente aumentata, dando origine alla spettroscopia Raman amplificata da superfici (SERS). La prima parte del presente lavoro è focalizzata sulla sintesi e sulla caratterizzazione di nanoparticelle d’argento, d’oro e di nano gusci d’oro (chiamati nanoshell) e sul loro impiego per la realizzazione di substrati SERS, sia in soluzione colloidale che su substrato solido. L’utilizzo di differenti nanostrutture metalliche, dà la possibilità di sfruttare la risonanza plasmonica localizzata di superficie in un’ampia regione spettrale, che si estende dal visibile al vicino infrarosso. La caratterizzazione ottica e morfologica delle nanostrutture è stata effettuata con tecniche convenzionali, come la spettroscopia di assorbimento UV-visibile, il SERS, la microscopia elettronica a trasmissione e la microscopia a forza atomica. Ad esse è stata affiancata anche una tecnica raramente usata nell’ambito della plasmonica: la spettroscopia fotoacustica. Questa può fornire informazioni riguardanti il contributo di assorbimento, all’estinzione totale, di una nanostruttura plasmonica. Da una rigorosa misura dei fattori di amplificazione e delle proprietà di fotoacustica al variare della lunghezza d’onda, possono essere fatte alcune considerazioni riguardanti la possibile relazione tra l’estinzione (proprietà di campo lontano) e l’ amplificazione SERS (proprietà di campo vicino). Le misure dei profili di eccitazione SERS su substrati plasmonici in liquido e su supporto solido, hanno evidenziato la presenza di hot spots, ovvero di zone fortemente amplificate dall’interazione di due o più nanostrutture. I substrati SERS solidi sono risultati chimicamente stabili, omogenei e riproducibili; essi presentano valori di fattori di amplificazione attorno a 104-105. In soluzione colloidale, i fattori di amplificazione delle nanostrutture hanno raggiunto valori nell’intervallo 103-106, dipendentemente dal tipo di nanostruttura metallica investigata. Le misure di fotoacustica effettuate su soluzioni colloidali di nanoshell d’oro si sono rivelate in accordo con le predizioni teoriche di letteratura. Nella seconda parte del lavoro, i substrati plasmonici, realizzati principalmente con nanoparticelle e nanoshell d’oro, sono stati impiegati per la realizzazione di sensori SERS per la rivelazione di specie chimiche e biologiche. É stato realizzato un sensore di composti tossici aromatici volatili, accoppiando un substrato plasmonico con un film poroso di sol gel ibrido organico-inorganico. La componente organica della matrice sol gel è stata appositamente scelta per la sua alta affinità a composti aromatici, quali lo Xilene. È stata dimostrata l’amplificazione dei segnali della matrice da parte della componente plasmonica, ma si sono riscontrati alcuni problemi nella rivelazione delle molecole di analita attraverso il SERS. La difficoltà nella rivelazione è probabilmente dovuta al veloce deadsorbimento dello Xilene dalla matrice a causa del forte riscaldamento locale causato dalla radiazione laser. Nonostante questo, si è comunque dimostrata l’aumentata efficienza del sensore progettato, rispetto ai suoi componenti singoli. La seconda applicazione studiata ha riguardato la realizzazione di un sistema analita-accettore innovativo, che può essere utilizzato per diverse applicazioni bioanalitiche; esso è basato sull’interazione tra un cromoforo diazobenzenico (HABA) e il suo anticorpo specifico. Alla base dell’applicazione si trova una proprietà interessante del suddetto cromoforo, che è quella di cambiare la sua struttura molecolare, passando da una forma azo alla forma idrazo, dopo aver interagito con il suo anticorpo specifico. Questa variazione nella struttura molecolare può essere sfruttata per la rivelazione dell’avvenuta interazione analita-accettore, mediante SERS. Alcuni derivati di questo cromoforo sono stati sintetizzati e caratterizzati in modo da poter essere adsorbiti su un substrato SERS, che viene successivamente incubato in una soluzione di anticorpo. I segnali SERS della molecola di HABA sono risultati ben visibili sia sui substrati di nanoparticelle che di nanoshell d’oro. Purtroppo non è stato possibile rivelare la variazione strutturale del cromoforo, in quanto gli anticorpi, estratti in vivo da due coniglietti, inducono solo un parziale cambio di struttura, rendendo la rivelazione SERS alquanto difficile.