Production of optimized Ag colloids for sensing by SERS the anti-epileptic drug Lamotrigine

The subject of my master thesis is the detection of Lamotrigine, an important anti-epileptic drug, in the field of “therapeutic drug monitoring”. The technique used for the assessment of the drug concentration is Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS). The SERS sensors adopted for the experiments were prepared with Ag nanoparticles from colloidal suspension. In the first part of my work, I briefly provide the chemicals and the description of the instrumentation and of the phenomena involved in the experiments. In the second part, I present the production of the colloidal suspensions and of the deposited nanoparticles and their characterization by means of UV-vis spectroscopy and SEM. The aim was the optimization of the substrates to achieve the better enhancement possible. In the third part, I focused on Lamotrigine protonation which provides the best interaction with SERS substrates. UV-Vis measure was performed at different pH values and a vibrational investigation of the drug was carried out. The SERS set-up was optimized in terms of pH and acidic species involved in the solutions of the sample, excitation wavelength exploited and development of the silver nanoparticles substrates. It was found out a reproducible technique for sample preparation that can be exploited also to other similar drug molecules, like Perampanel. This is an important outcome for the clinical use of the technique, in which there is the demand of a standard procedure for the analysis. Finally, a new set-up was designed by means of a spinning cell procedure to attain quantitative measurements with high laser power density without causing photodegradation of the sample. The results were good, leading us to think that SERS can hopefully be considered as a valid method for clinical analysis. Future research can be steered to the application of this procedure with the use of plasma samples and to the correlation of the SERS signal to the concentration of the drug in patients.

L'oggetto della mia tesi di laurea è il riconoscimento della Lamotrigina, un importante farmaco antiepilettico, nel campo del "therapeutic drug monitoring". La tecnica utilizzata per la valutazione della concentrazione del farmaco è la spettroscopia Raman Enhanced Surface (SERS). I sensori SERS adottati per gli esperimenti sono stati preparati con nanoparticelle di Ag da sospensione colloidale. Nella prima parte del mio lavoro, fornisco brevemente la descrizione della strumentazione e dei fenomeni coinvolti negli esperimenti. Nella seconda parte, presento la produzione delle sospensioni colloidali e delle nanoparticelle depositate e la loro caratterizzazione mediante spettroscopia UV-vis e immagini SEM. Lo scopo era l'ottimizzazione dei substrati per conseguire il miglioramento del segnale SERS. Nella terza parte, mi sono concentrata sulla protonazione della lamotrigina la quale offre la migliore interazione con i substrati SERS. Le misure UV-Vis sono state eseguite a diversi valori di pH ed è stata condotta un'indagine vibrazionale della molecola del farmaco. Il set-up per misure SERS è stato ottimizzato in termini di specie acide coinvolte e di pH, lunghezza d'onda di eccitazione e potenziamento dei substrati di nanoparticelle d'argento. È stata scoperta una tecnica riproducibile per la preparazione dei campioni che può essere sfruttata anche per altri farmaci simili. Questo è un risultato importante per l'uso clinico della tecnica, in cui vi è la richiesta di una procedura standard per l'analisi. Infine, un nuovo set-up è stato progettato mediante un sistema di rotazione per ottenere misure quantitative con elevata densità di potenza laser senza causare la fotodegradazione del campione. I risultati sono stati buoni, portandoci a pensare che il SERS possa essere considerato un valido metodo per l'analisi clinica. La ricerca futura può essere orientata all'applicazione di questa procedura con l'uso di campioni di plasma e alla correlazione del segnale SERS con la concentrazione del farmaco nei pazienti.