An optical setup for chiroptical spectroscopy with surface waves

Chirality is a geometric symmetry property which describes objects that cannot be superimposed onto their mirror image. This characteristic emerges only when an interaction with a chiral environment occurs, otherwise two different enantiomers are identical in their physical and chemical properties. Enhanced techniques for chiral detection are in high demand since many drugs interact differently with the human body based on their chirality, which can be evaluated by circular dichroism (CD) spectroscopy. Since in general CD signals are very weak, enhancing the sensitivity of CD measurements is very appealing for basic applications in chemistry and molecular physics and, in the long run, for life-science as well. The idea of this work is characterizing a new experimental setup that will be used to enhance the CD signal by using a combination of photonic crystals and surface waves, both in the blue and UV region. The goal of the commissioning is to confirm that the setup is capable of performing angle-resolved CD measurements (as required for the photonic crystal) with the required angular accuracy, angular reproducibility, and with a low CD baseline. The first test that is performed is on a thin film of gold with the aim to excite a surface plasmon polariton. This will be the confirmation that angular measurements can be achieved, and it is possible to determine which degree of angular precision the system owns. Then, since the one-dimensional photonic crystal used for enhancing the CD signal will be deposited on a BK7 glass substrate, the complete characterization of the CD response of a semi-cylindrical BK7 glass used for the coupling to the photonic crystal is performed. In this way it is possible both to confirm the capability of the setup in recovering CD signals and to quantify the CD baseline contribution of the substrate during circular dichroism measurements. Another investigation is done on chiral molecules synthetized by a collaboration with the Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering of Politecnico di Milano. The aim of this analysis is to quantify the magnitude of the CD signals of molecules that would be compared with the enhanced signal once the complete setup is mounted and ready to perform CD measurements with the photonic crystal. Finally, the full characterization of a one-dimensional photonic crystal especially designed for the application is performed. This investigation is run to check the capability of the system to excite TE and TM modes of surface waves of the multilayer, the basic ingredient to obtain chiroptical enhancement. During all the measurements, the alignment of the setup turns out to out to be a fundamental and critical parameter for all the investigations. Experimental results on the gold surface plasmon polaritons show the good reproducibility of the optical setup while angular spectra of the one-dimensional photonic crystal show a good accuracy of the system since it can detect a surface mode with a full width at half maximum of about 0.3°. Circular dichroism measurements give an order of magnitude of the CD amplitude baseline of the BK7 glass, between 0.5 and 4 mdeg (still viable to improvements), and of the CD signals of molecules that will be deposited on the photonic crystal. For those we collect a baseline, measured with a cuvette, of about 0.3 mdeg, while the maximum CD signal is about 1 mdeg for a 1.9 M solution. The results confirm that the system and the samples, in their current configuration, already represent a viable candidate for a first demonstration of enhanced CD with superchiral surface waves. Keywords: chirality; circular dichroism; plasmons; superchirality; one-dimensional photonic crystals.

La chiralità è una proprietà geometrica di simmetria che descrive oggetti che non possono essere sovrapposti alla loro immagine speculare. Questa caratteristica emerge solo quando avviene un'interazione con un ambiente chirale, altrimenti i due enantiomeri sono identici nelle loro proprietà fisiche e chimiche. Le tecniche per migliorare il segnale chirale sono richieste poiché molti farmaci interagiscono con il corpo umano in base alla loro chiralità, che può essere valutata mediante spettroscopia di dicroismo circolare (CD). In generale, i segnali CD sono molto deboli, quindi aumentare la sensibilità delle misure di dicroismo circolare è interessante per applicazioni in chimica e fisica molecolare. L'idea di questo lavoro è caratterizzare una nuova configurazione sperimentale che sarà utilizzata per migliorare il segnale CD usando una combinazione di cristalli fotonici e onde di superficie, entrambe nella regione del blu e dell’UV. L’obiettivo dello studio è di provare che il setup sia in grado di svolgere misure angolari di CD (come richiesto per i cristalli fotonici) con l’accuratezza e la riproducibilità angolare richieste e con un basso contributo di CD. Il primo test viene eseguito su un sottile film d'oro con l’obiettivo di eccitare un plasmone di superficie. Questa misura testa la capacità di svolgere scansioni angolari e di determinare quale grado di precisione possiede il sistema. Successivamente, poiché il cristallo fotonico monodimensionale utilizzato per migliorare il segnale CD verrà depositato su un substrato di vetro BK7, viene eseguita la caratterizzazione completa della risposta CD di un vetro BK7 semicilindrico usato per l’accoppiamento con il cristallo fotonico. In questo modo è possibile confermare la capacità del setup nel misurare segnali CD e quantificare il contributo di fondo che tale vetro introduce nelle misure di dicroismo circolare. Un'altra indagine viene condotta sulle molecole chirali sintetizzate con la collaborazione del Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica del Politecnico di Milano. Lo scopo di questa analisi è quello di quantificare l’ampiezza del segnale di dicroismo circolare in modo da poterlo comparare al segnale aumentato una volta che l’apparato sperimentale sarà completo e pronto per misure CD con il cristallo fotonico. Infine, viene eseguita la completa caratterizzazione di un cristallo fotonico monodimensionale progettato unicamente per questa applicazione. Questa misura viene svolta per testare la capacità del sistema di eccitare i modi TE e TM delle onde superficiali del multistrato, l'ingrediente di base per ottenere l’aumento del segnale chiroottico. Durante tutte le misure, l’allineamento del setup si è dimostrato essere un parametro tanto fondamentale quanto critico per la correttezza delle analisi. I risultati ottenuti con il plasmone di superficie dell’oro dimostrano una buona riproducibilità del setup mentre gli spettri angolari del cristallo fotonico monodimensionale evidenziano una buona accuratezza del sistema che è in grado di risolvere un modo di superficie con una larghezza di riga di circa 0.3°. Le misure di dicroismo circolare forniscono un ordine di grandezza dell’ampiezza del fondo del vetro BK7, tra circa 0.5 e 4 mdeg, e del segnale CD delle molecole che saranno depositate sul cristallo fotonico. Per queste ultime il fondo, misurato in cuvette, ha un valore di circa 0.3 mdeg mentre il massimo segnale di CD raggiunge un valore di circa 1 mdeg per una soluzione 1.9 M. I risultati confermano che il sistema e i campioni, nella configurazione attuale, rappresentano un valido candidato per una prima dimostrazione di aumento del segnale CD con onde superchirali di superficie. Parole chiave: chiralità; dicroismo circolare; plasmoni; superchiralità; cristalli fotonici monodimensionali.