Fabrication and characterization of hybrid 1D plasmonic/photonic crystals for the optical detection of bacterial contaminants in liquid solutions

Photonic crystals are structures built by alternating in 1, 2 or 3 dimensions materials with different refractive indices. This structure influences lights in a trend similar to how semiconductors and insulators do with electrons: the seconds have energy levels prohibited to the electrons while the first has a bandgap for photons. This interesting property of the photonic crystal grants them particular optical properties, like coloration independent on the use of dyes and the ability to inhibit transmission of light with a determined wavelength. From their scientific discovery, more than 40 years ago, photonic crystals have had an increasing importance in the development and improvement of new technologies. The following work is an innovative experiment aimed to demonstrate the possible realization of a new type of low-cost bacterial sensor. The first step was the realization of the 1D photonic crystals, made by the alternation of layers with different indices of refraction. Among the many alternatives regarding the materials to employ, we decided to use silica (SiO2) and titania (TiO2); this combination has been widely studied in the past years and permits to obtain photonic crystals at the state of the art. After their building, we proceeded in the deposition of a layer of Ag with thickness in the range of the tens of nanometres to provide the piece the desired reactivity in the presence of bacteria. Once completed, they have been characterized, tested in aqueous solutions containing varying concentrations of Escherichia Coli and lastly analysed to detect variations in the optical properties as consequences of the interaction between the antibacterial activity of silver and the passage of light through the substrate. These analyses have brought to interesting results, most importantly a red shift of the transmittance peaks in the visible range, the less severe the higher is the bacteria concentration inside the solutions; this change in the position of the band gap is probably due to the formation of a layer of electrons on the surface of silver as a consequence of its interaction with bacteria. This particular interaction may be the first step in the realization of a new, economic and reusable device for the sensing in real time of bacteria, especially interesting for its applicability in the production and packaging of food to reduce the enormous actual wastes.

I cristalli fotonici sono strutture costituite da alternanze in 1, 2 o 3 dimensioni di materiali con diverso indice di rifrazione. Questo particolare tipo di struttura influenza la luce in maniera simile a quanto fanno i materiali semiconduttori e isolanti con gli elettroni: i secondi hanno livelli energetici proibiti agli elettroni mentre i primi hanno una banda proibita (bandgap) per i fotoni. Questa interessante proprietà dei cristalli fotonici garantisce loro determinate proprietà ottiche, come una colorazione indipendente dai classici pigmenti e la capacità di impedire la trasmissione della luce con una determinata lunghezza d’onda. Dalla loro scoperta scientifica, avvenuta circa 30 anni fa (1987), i cristalli fotonici hanno progressivamente avuto un ruolo sempre più importante nello sviluppo e miglioramento di nuove tecnologie grazie alle loro peculiari proprietà ottiche. Il lavoro presentato di seguito è un innovativo esperimento per verificare la possibile realizzazione di un nuovo tipo di sensore batterico a basso costo. Si è prima proceduto nel creare dei cristalli fotonici 1D, ossia formati dalla continua alternanza di strati con differenti indici di rifrazione. Tra le molte alternative possibili abbiamo deciso di utilizzare come costituenti silica (SiO2) e titania (TiO2) in quanto materiali ampiamente studiati e che permettono di ottenere cristalli fotonici non solo facilmente realizzabili ma anche con proprietà allo stato dell’arte. Una volta costruiti i dispositivi si è proceduto ad aggiungere loro uno strato di argento dallo spessore nel range delle decine di nanometri per conferire loro la desiderata reattività in presenza di batteri. Una volta completati sono stati caratterizzati, collaudati in soluzioni acquose con concentrazioni variabili di Escherichia Coli ed infine analizzati per verificare eventuali cambiamenti ottici come conseguenza dell’interazione tra l’attività antibatterica dell’argento e il passaggio della luce attraverso il substrato. Queste analisi hanno portato ad interessanti risultati, primo fra tutti un significativo spostamento verso il rosso (red shift) dei picchi di trasmittanza nel visibile, spostamento con intensità inversamente proporzionale alla concentrazione dei batteri in soluzione; questo spostamento del band gap è probabilmente dovuto alla formazione di uno strato di elettroni sulla superficie dell’argento come conseguenza dell’interazione tra lo strato metallico e i batteri. Questa particolare interazione potrebbe essere il primo passo verso la realizzazione di un nuovo, economico e riutilizzabile metodo per la rilevazione in tempo reale di agenti batterici, procedimento particolarmente interessante per la sua applicabilità nella produzione e imballaggio del cibo al fine di diminuire gli enormi sprechi attuali.