Plasmonic Au/Ag ordered nanoarrays for biosensing applications

The aim of the present work is the study and the nanofabrication of innovative plasmonic nanostructured materials to develop label-free optical biosensors. The motivation arises from the need to identify specific biological molecules at very low concentrations (below the picoMolar level) and with high specificity. This goal is of paramount importance for instance in diagnostics and prognostics through the early-stage detection of markers in biological fluids indicating possible altered biological processes. At the same time a fast and simple detection scheme is required, without the use of labelling strategies. The innovative plasmonic properties of noble metals (Au,Ag) nanomaterials have been investigated for biosensing applications since 1983. These plasmonic properties arise from the interaction of an electromagnetic wave with nanostructured metals, i.e., metallic structures with size in the order of or smaller than the incident field wavelength in the Vis-NIR range: their most celebrated effect is the onset of the surface plasmon resonances (SPR). Prims-coupled biosensing devices based on SPR of gold thin film (thickness lower than 100 nm) were commercialized since 1990. These systems allow to monitor biomolecular interactions and to quantify a wide range of chemical and biological species down to nanomolar concentrations. The scientific community is strongly active in the optimization of the performances of the SPR sensors in terms of sensitivity, specificity and limit of detection. The present work is based on the application of the SPR properties of ordered Au/Ag nanoarrays for biological detection, in order to investigate and optimize their sensing performances. The detection mechanism is based on the variation of the SPR for refractive index changes, which are due to analyte molecules immobilized on the nanoarray's surface. We have studied three classes of nanoarrays based on noble metals: (i) semi-nanoshell array, (ii) nanoprism array and (iii) nanohole array. Gold and silver are the best plasmonic metals for their intrinsic properties of interaction with an electromagnetic field in the Vis-NIR range. The nanoarrays were synthesized by Nanosphere Lithography, and they are based on hexagonal arrays of nanounits such as nanoprims, semi-nanoshells and nanoholes. The synthesis technique allows to finely control the morphology and the dimensions of the nanounits and, as a consequence, their optical properties. The samples based on nanoprims and semi-nanoshells support high electromagnetic field localization on their surface, which is due to the excitation of localized SPR; for this reason these systems could be very interesting sensors to detect thin analyte molecules layers with low molecular weight. The samples based on nanoholes arrays are characterized by the EOT, which is controlled by the excitation of extended SPR. The longer decay length of this kind of plasmons makes EOT particularly useful to detect also bigger molecules such as viruses or bacteria. All the samples were functionalized with the same protocol based on the biotin-streptavidin couple as the receptor-ligand scheme. The sensing performances were investigated by exposing the functionalized samples to different analyte concentrations. Moreover, the local and bulk sensitivity to refractive index changes was measured. The experimental results were also compared with numerical simulations and we found a good level of agreement between the experimental and simulated data. Silver nanoprisms arrays were also studied as SERS substrates. They were oxidized with different treatments to investigate the silver oxide effect on the SERS performances. All the obtained results in the present work indicate performances of the three investigated nanotructures, which are at the state-of-the-art with respect to literature data.

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.