Optical spectroscopy characterization of a P3HT/electrolytic solution interface

Organic semiconducting materials are of particular appeal in novel applications in the fields of optics and electronics thanks to the possibility to be interfaced with living cells and tissues. Biological functions can be monitored and controlled through the mediating action of such organic devices, an exciting future application being a prosthetic implant for the restoration of visual acuity and neural response in patients with retinal degeneration. The state of the art conjugated polymer P3HT, in the form of thin films, has been proven to elicit cellular response and effective biotic/abiotic coupling upon light stimulation. However the mechanisms involved in this interaction still remain unclear. One possibility is that the polymer may induce a change in pH upon photon absorption, localized at the surface and difficult to detect using standard techniques. Plasmonics can offer an innovative probing platform to address the characterization of the polymer/electrolyte solution interface, thanks to the high localization of the light field and to the high sensitivity to refractive index variations. Plasmonic substrates have been prepared on glass with drop casting of colloidal gold nanoparticles. Two kinds of gold nanoparticles, characterized respectively by maximum extinction in the visible and near-infrared range, have been studied in order to match the optical transparency window of both water and biological tissues. Composite structures have been obtained depositing a thin polymer layer through spin coating over the plasmonic substrate. The samples have been characterized both in contact with air and solution exploiting absorption and photoluminescence spectroscopy. Despite observing a characteristic near-field enhancement of the polymer absorption that might be exploited to optimize the device performances as a bioactuator, the applied technique, due to the polymer highly hydrophobic behaviour, did not prove to be suitable in detecting local pH changes. New routes considering different multilayer configurations, fabrication methods, nanoparticle geometries or optical interactions need to be explored to achieve a better locally resolved characterization of this interface.

I semiconduttori organici sono recentemente emersi come una classe di materiali che permettono applicazioni innovative nei campi dell’ottica e dell’elettronica grazie alla possibilità di essere interfacciati con cellule e tessuti viventi. Le funzioni biologiche possono essere monitorate e controllate ricorrendo all’uso di dispositivi organici, in particolare una futura applicazione tra le più interessanti è costituita da un impianto prostetico di retina per il recupero parziale della vista in pazienti affetti da degenerazioni retiniche. Illuminando film sottili di P3HT, un diffuso polimero semiconduttivo, è possibile stimolare una risposta cellulare, realizzando un efficace accoppiamento biotico/abiotico. Tuttavia il meccanismo esatto alla base di questa interazione non è ancora stato identificato. Una delle possibilità è che la fotostimolazione del polimero provochi una variazione di pH localizzata all’interfaccia e difficile da valutare con le tecniche comunemente disponibili. La plasmonica può offrire un approccio innovativo alla caratterizzazione dell’interfaccia P3HT/soluzione elettrolitica, grazie alla forte localizzazione del campo elettrico e all’elevata sensibilità a variazioni dell’indice di rifrazione del mezzo. I substrati plasmonici sono stati preparati su vetro tramite drop casting di una soluzione colloidale di nanoparticelle d’oro. Due tipi di nanoparticelle, caratterizzate rispettivamente da un massimo nello spettro di estinzione nel visibile e nel vicino infrarosso, sono state selezionate in modo da corrispondere con la finestra di trasparenza dell’acqua e dei tessuti biologici. Film multistrato sono stati ottenuti depositando un sottile strato polimerico tramite spin coating sul substrato plasmonico. I campioni sono stati studiati mediante spettroscopia di assorbimento e di fotoluminescenza in contatto con aria e soluzione. Sebbene sia stato osservato un incremento dell’assorbimento del polimero causato dalla concentrazione locale del campo elettrico, che può essere sfruttato per ottimizzare le prestazioni del dispositivo, questo approccio non si è rivelato adatto per la rilevazione di cambiamenti di pH locali. Nuove strategie che prevedano diverse configurazioni multistrato, metodi di fabbricazione, geometrie delle nanoparticelle o interazioni ottiche devono essere esplorate per ottenere una caratterizzazione locale di questa interfaccia.