Advancing in the design of plasmonic particles for sers applications

Abstract

La detecció i identificació molecular a concentracions ultra-baixes representa un repte crític en la química analítica moderna, especialment en àmbits com el diagnòstic clínic, el desenvolupament de fàrmacs i l’anàlisi ambiental. Entre les diverses tècniques espectroscòpiques disponibles, l’Espectroscòpia Raman Amplificada per Superfície (SERS) ofereix una sensibilitat excepcional en aprofitar les propietats plasmòniques de les nanoestructures metàl·liques per amplificar els senyals moleculars en diversos ordres de magnitud. Aquesta tesi doctoral investiga el desenvolupament i l’optimització sistemàtica d’arquitectures de nanopartícules plasmòniques per maximitzar el rendiment del SERS. La recerca comprèn tres enfocaments complementaris: la síntesi controlada de nanopartícules individuals d’or i plata, l’assemblatge estratègic en estructures jeràrquiques complexes i la modificació superficial dirigida mitjançant elements de reconeixement molecular.El treball experimental va consistir en la preparació de sistemes de nanopartícules monometàl·liques i bimetàl·liques, seguits de la seva organització en configuracions nucli-satèl·lit. Aquestes estructures es van caracteritzar exhaustivament mitjançant microscòpia electrònica, espectroscòpia òptica i tècniques de modelatge computacional per comprendre les relacions estructura-propietats. Posteriorment, es van implementar estratègies de funcionalització superficial emprant molècules de ciclodextrina per introduir selectivitat molecular

La detección e identificación molecular a concentraciones ultra-bajas representa un desafío crítico en la química analítica moderna, particularmente en campos como el diagnóstico clínico, el desarrollo de fármacos y el análisis ambiental. Entre las diversas técnicas espectroscópicas disponibles, la Espectroscopía Raman Intensificada por Superficie (SERS) ofrece una sensibilidad excepcional al aprovechar las propiedades plasmónicas de las nanoestructuras metálicas para amplificar las señales moleculares en varios órdenes de magnitud. Esta tesis doctoral investiga el desarrollo y la optimización sistemática de arquitecturas de nanopartículas plasmónicas para maximizar el rendimiento del SERS. La investigación abarca tres enfoques complementarios: la síntesis controlada de nanopartículas individuales de oro y plata, el ensamblaje estratégico en estructuras jerárquicas complejas y la modificación superficial dirigida mediante elementos de reconocimiento molecular.El trabajo experimental incluyó la preparación de sistemas de nanopartículas monometálicas y bimetálicas, seguidos de su organización en configuraciones núcleo-satélite. Estas estructuras fueron caracterizadas exhaustivamente mediante microscopía electrónica, espectroscopía óptica y técnicas de modelado computacional para comprender las relaciones estructura- propiedades. Posteriormente, se implementaron estrategias de funcionalización superficial utilizando moléculas de ciclodextrina con el fin de introducir selectividad molecular

Molecular detection and identification at ultra-low concentrations represent critical challenges in modern analytical chemistry, particularly in fields such as clinical diagnostics, drug development, and environmental analysis. Among the various spectroscopic techniques available, Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) offers exceptional sensitivity by exploiting the plasmonic properties of metallic nanostructures to amplify molecular signals by several orders of magnitude.This doctoral thesis investigates the systematic development and optimization of plasmonic nanoparticle architectures to maximize SERS performance. The research encompasses three complementary approaches: controlled synthesis of individual gold and silver nanoparticles, strategic assembly into complex hierarchical structures, and targeted surface modification using molecular recognition elements.The experimental work involved the preparation of monometallic and bimetallic nanoparticle systems, followed by their organization into core- satellite configurations. These assemblies were thoroughly characterized using electron microscopy, optical spectroscopy, and computational modeling techniques to understand the structure-property relationships. Subsequently, surface functionalization strategies employing cyclodextrin molecules were implemented to introduce molecular selectivity.Results demonstrate that carefully engineered core-satellite architectures achieve remarkable signal amplification (10¹⁰-10¹¹ fold enhancement) with excellent reproducibility