Engineering plasmonic nanomaterials for SERS applications

Abstract

En conseqüència de les seves extraordinàries propietats, les nanopartícules d'or i plata s'han utilitzat en una varietat d'aplicacions, incloses les relacionades amb surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy. La creixent ocupació d'aquesta tècnica com a eina analítica, va empènyer la investigació al studio de nous substrats SERS. Considerant aquestes dades, la thesis proposada té com a objectiu examinar estratègies per al disseny de nanomaterials nous i expandeix la molecular library de lligands de superfície per funcionalitzar les plataformes plasmòniques amb un enfocament especial a l'aplicació SERS. Primer, es proposa un mètode per a la formació homogènia d'una capa de plata sobre nuclis d'or amb diferents característiques geomètriques a través d'un procés de cold nanowelding. solució. En particular, la investigació realitzada ha demostrat la forta implicació d'alguns paràmetres experimentals en la generació d'estructures bimetàl·liques d'Au/Ag que conserven la morfologia del substrat d'or original. Segon, un nou derivat de azobenzè va ser proposat com a quimioreceptor eficaç i de baix cost per a la detecció SERS de tiols de baix pes molecular clínicament rellevants. Més concretament, els agregats de nanopartícules de plata col·loïdalment estables es van equipar amb el mercapte-azobenzè derivat que, en presència de biotíols, mostra importants alteracions espectrals SERS correlacionades quantitativament amb el trencament de l'enllaç diazo intervingut per molècules petites tiolades. Finalment es va estudiar la producció d'una graded-index (GRIN) lens que es va obtenir mitjançant l'acoblament jeràrquic de nanopartícules d'or en un nucli micromètric de sílice amb l'objectiu d'examinar les propietats exòtiques òptiques relacionades amb la complexa arquitectura i que consisteixen en la capacitat del sistema de concentrar la llum al centre de la microesfera.

Debido a sus extraordinarias propiedades, las nanopartículas de oro y plata se han utilizado en una variedad de aplicaciones, incluidas las que estan relacionada con surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy. El creciente empleo de esta técnica como herramienta analítica, empujó la investigación en el studio de nuevos sustratos SERS. Considerando estos datos, la thesis propuesta tiene como objetivo examinar estrategias para el diseño de nanomateriales novedosos y expande la molecular library de ligandos de superficie para funcionalizar las plataformas plasmónicas con un enfoque especial en la aplicación SERS. Primero, se propone un metodo para la formación homogenea de una capa de plata sobre núcleos de oro con diferentes características geométricas a través de un proceso de cold nanowelding- La nueva estrategia sintetica pretende superar las limitaciones identificadas en las reducciones químicas convencionales de sales metálicas en solución. En particular, la investigación realizada ha demostrado la fuerte implicación de algunos parámetros experimentales en la generación de estructuras bimetálicas de Au/Ag que conservan la morfología del sustrato de oro original. Segundo, un nuevo derivado de azobenceno fue propuesto como quimiorreceptor eficaz y de bajo coste para la detección SERS de tioles de bajo peso molecular clínicamente relevantes. Más concretamente, los agregados de nanopartículas de plata coloidalmente estables se equiparon con el mercapto-azobenceno derivado que, en presencia de biotioles, muestra importantes alteraciones espectrales SERS correlacionadas cuantitativamente con la rotura del enlace diazo mediada por moléculas pequeñas tioladas. Finalmente se estudió la producción de una graded-index (GRIN) lens que se obtuvo mediante el ensamblaje jerárquico de nanopartículas de oro en un núcleo micrométrico de sílice con el objetivo de examinar las propiedades exóticas ópticas relacionada con la compleja arquitectura y que consisten en la capacidad del sistema de concentrar la luz en el centro de la microesfera.

Due to their exceptional properties, gold and silver nanoparticles have been used in a variety of applications, including those related to surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy. In this regard, the increasing employment of this spectroscopic technique as an ultrasensitive analytical tool in a wide range of application fields, encouraged research in further improvements in the SERS substrates engineering. With these considerations in mind, the proposed dissertation aims to examine approaches for the design of novelty nanomaterials and expands the molecular library surface ligands that can decorate the plasmonic platforms with a special focus on SERS application. First, the formation of a smooth silver layer onto gold cores with different geometrical features through a cold nanowelding process was proposed as a new synthetical approach that overcomes the issues identified in the conventional chemical reductions of metal salts in solution. In particular, the conducted research has demonstrated the strong implication of some experimental parameters in the generation of bimetallic Au/Ag structures that retain the original gold substrate morphology. Secondly, a novel azobenzene derivative was synthesized as an efficient low-cost chemoreceptor for the SERS detection of clinically relevant low molecular weight thiols. More concretely, colloidally stable silver nanoparticle clusters were equipped with the obtained mercapto-azobenzene probe that, in the presence of biothiols, displays dramatic SERS spectral alterations quantitatively correlated to the small thiolated molecules-mediated breakage of the diazo bond. The dissertation finally reports a study conducted on the production of a metallic metamaterial. The resulting hybrid graded-index (GRIN) lens was obtained through the hierarchical assembly of gold nanoparticles onto a micrometric core of silica with the aim to examine the exotic optical properties to concentrate the light at the center of the microsphere deriving from the complex architecture.