Electrospun membranes doped with functionalized gold nanoparticles as substrate for SERS sensing

In this project, nanofibrous membranes containing gold nanoparticles have been produced by electrospinning; the substrates thus obtained have been used in SERS (Surface-enhanced Raman scattering) sensing field, aimed at detecting the presence of low molar concentration analytes. The choice of metal nanostructures results from their ability to produce an enhancement near field which arises from the resonant coupling between the collective metal free electron oscillation and an incident light. In this study, different synthesis procedures have been followed to produce gold hydrocolloidal solution, which allowed the generation of nanostructures of different shapes and sizes. Characterization of the nanoparticles was carried out by UV-vis absorption spectroscopy and DLS measurements, highlighting their size, homogeneity and good reproducibility. The produced hydrocolloids have been used as the feed solution to dissolve polyvinylalcohol, which was then electrospun to collect nanofibrous mats containing gold nanoparticles. As an alternative, water-insoluble polymers have been also selected to give membranes which are stable in aqueous environment, namely polymethylmethacrylate and cellulose acetate butyrate. In these cases, phase transfer methods were applied to transfer metal nanoparticles from an aqueous medium to a organic layers. In particular, this has been achieved by the use of ethanol as cosolvent and thiols with long alkyl chains, notably dodecantiol, as colloidal stabilizers. Morphological characterization of the nanofibrous membranes has been performed by scanning electron microscopy (SEM), which allowed to determine the experimental conditions to produce homogeneous and defect-free fibers. The functionalized membranes thus developed have been finally tested in SERS measurements, for the detection of trace amounts of Rhodamine 6G, a standard analyte for this type of analytical technique. The results demonstrate the efficiency of such membranes, with a strong dependence on the concentration of nanoparticles in the fibers.

In questo lavoro di tesi sono state preparate, tramite tecnica di electrospinning, membrane nanofibrose contenti nanoparticelle metalliche di oro e i substrati così ottenuti sono stati impiegati nell’ambito di rilevamento SERS (spettroscopia Raman amplificata da superfici), con l’obiettivo di riconoscere la presenza di analiti a bassa concentrazione molare. La scelta di nanostrutture metalliche deriva dalla loro capacità di produrre un campo magnetico amplificato che nasce dall’accoppiamento risonante tra l’oscillazione collettiva di elettroni liberi del metallo e una luce incidente. Nel presente studio sono state prodotte in acqua soluzioni colloidali di oro sfruttando varie procedure di sintesi, che hanno permesso di generare nanostrutture di forme e dimensioni diverse. La caratterizzazione delle nanoparticelle è stata effettuata tramite misure di spettroscopia di assorbimento UV-vis e DLS, che ne evidenziano le dimensioni, l’omogeneità e la buona riproducibilità. Gli idrocolloidi così prodotti sono stati utilizzati per sciogliere il polvinilalcol a dare membrane nanofibrose contenenti le nanoparticelle metalliche. In alternativa, sono stati scelti polimeri insolubili in acqua al fine di produrre membrane stabili in ambienti acquosi, in particolare polimetilmetacrilato e acetato/butirrato di cellulosa. In questo caso, sono stati applicati metodi di trasferimento di fase per spostare le nanoparticelle metalliche da un mezzo acquoso ad una fase organica. In particolare, questo è stato possibile tramite l’utilizzo di etanolo come cosolvente e tioli con lunghe catene alchiliche, tra i quali il dodecantiolo, come stabilizzanti colloidali. La caratterizzazione morfologica delle membrane nanofibrose è stata eseguita tramite microscopia a scansione elettronica (SEM) che ha permesso di evidenziare le condizioni sperimentali per la produzione di fibre omogenee e prive di difetti. Le membrane funzionalizzate così prodotte sono state infine sottoposte a misure SERS, per il rilevamento di quantità in tracce di Rodamina 6G, tipico analita per questo tipo analisi. I risultati dimostrano l’efficienza di tali membrane in base alla concentrazione di nanoparticelle presenti nelle fibre.