Molecular sensing with surface waves

Optical sensors are well-established tools in today’s life. The specific detection of small quantities of analytes has a huge importance due to its application in medicine and life science so sensing tools that allow enhancing the molecular signals are of great interest. Bloch Surface Waves (BSWs) generated at the surface of a semi-infinite one-dimensional photonic crystal (1DPC) and Surface Plasmon Polaritons (SPPs) generated at the surface of a metallic layer are nowadays well-known tools for surface-enhanced spectroscopies and will be discussed in this Thesis. BSWs and SPPs share common points like being evanescent surface waves used for surface-enhanced spectroscopies but they have many differences that will be exploited: SPPs are sustained by a metallic surface while BSWs are generated at the surface of a 1DPC made by dielectric materials; with SPPs one can work in the red – near infrared part of the spectrum while with a careful choice of materials and thicknesses, one can tune the BSWs resonances and cover, as in the case presented in this manuscript, the visible – UV range, allowing for the investigation of resonant electronic states of molecules. Moreover, due to their coupled nature to electronic oscillations on the surface, SPPs can be excited only with TM polarization of the illuminating beam, while photonic crystals can sustain both TE and TM surface modes, allowing the investigation of resonant electronic states of molecules. TE and TM modes have, in general, different phase velocities, i.e. different dispersion relations, so one could not have the control over the polarization state of their combination over a broadband spectral range. With this motivation, we propose a novel design of a 1DPC that allows for the overlap of dispersion relations over a broadband spectral range. The first important step is the experimental demonstration of this feature that in our experimental setup configuration, described in Chapter 2, translated into collecting reflectivity signals from the samples, where surface modes appear as dips, and check that they are excited at the same angle when the wavelength of illumination is fixed. The validation of our 1DPC platform is described in Chapter 3 where different designs are analyzed in an aqueous environment. The mode overlap is also exploited for preliminary circular dichroism measurements performed during the last days of the PhD, that leave the door open for further developments of the acquisition process. The simultaneous excitation of TE and TM modes, in fact, allows for the generation of a so called “superchiral” wave, used for the study of chiral molecules. Chirality is an important geometric property of objects that cannot be superimposed to their mirror image through translations or rotations and, since many biocomponents are chiral, the study of this property has many applications in molecular physics, chemistry and life science. Afterwards, the mode superposition is exploited for polarization-sensitive measurements where it is possible to investigate the birefringence of a molecular layer, i.e. to distinguish between random and oriented molecules anchored to the surface. In this field, we investigate the birefringence of a single-stranded DNA layer immobilized on the 1DPC surface through the simultaneous tracking of the TE and TM resonances, showing the results in Chapter 4. In the SPPs field, instead, we worked on a biosensor whose final goal is the detection of a specific antigen in blood. Biosensors are made by a transducer that collects the biological response, and an electronic system that elaborates and shows it to the user. We worked on the optical validation of the functionalization protocol of the transducer of the biosensor and the activity is reported in Chapter 5. We worked on a prototype of transducer, testing if each step of the functionalization is successful. Moreover, we performed preliminary measurements with the aim to detect the binding of the antigen to the correspondent antibody. Optical results are then compared with the electronic characterization of the sample, presenting a good accordance, that confirms the consistent operation of the sensor under investigation.

I sensori ottici sono ad oggi degli strumenti presenti nella vita di tutti i giorni. L’acquisizione specifica di segnali provenienti da piccole quantità di componenti biologici è di grande importanza viste le possibili applicazioni in medicina, farmacologia e nell’ambito delle scienze della vita; quindi, gli strumenti in grado di amplificare il segnale molecolare sono ad oggi di grande interesse. Le onde superficiali di Bloch generate sulla superficie di un cristallo fotonico monodimensionale e i plasmoni di superficie generati sulla superficie di un film metallico sono ormai strumenti molto conosciuti per le tecniche di spettroscopia ottica di superficie, come viene discusso in questa tesi. Le onde di Bloch e i plasmoni hanno alcuni punti in comune come l’essere onde di superficie evanescenti usate per tecniche di spettroscopia ottica ma hanno anche molte differenze che verranno descritte: i plasmoni sono sostenuti da una superficie metallica mentre le onde di Bloch sono generate sulla superficie di un cristallo fotonico monodimensionale costituito da materiali dielettrici; con i plasmoni è possibile focalizzarsi nella regione spettrale del rosso – vicino infrarosso, mentre per le onde di Bloch con una scelta accurata dei materiali e degli spessori di ciascuno strato è possibile controllare le risonanze e raggiungere, come presentato in questo lavoro, il visibile – UV, permettendo così lo studio degli stati elettronici delle molecole. Inoltre, a causa del loro accoppiamento con le oscillazioni elettroniche superficiali, i plasmoni possono essere eccitati solo con una polarizzazione TM della luce incidente, mentre i cristalli fotonici possono sostenere entrambe le polarizzazioni, TE e TM, dei modi di superficie, permettendo così lo studio degli stati elettronici delle molecole. I modi TE e TM hanno, in generale, velocità di fase differenti, il che significa che hanno relazioni di dispersione distinte; quindi, non è possibile controllare lo stato di polarizzazione dell’onda ottenuta dalla loro combinazione in un ampio range spettrale. Con questa motivazione, abbiamo proposto un nuovo design di cristallo fotonico monodimensionale che permette la sovrapposizione delle relazioni di dispersione dei modi superficiali su un ampio intervallo spettrale. Il primo risultato importante è stata la dimostrazione sperimentale di questa proprietà che, nella nostra configurazione sperimentale descritta nel Capitolo 2, corrisponde all’acquisizione di segnali di riflettività dei campioni, dove le onde di superficie appaiono come picchi di assenza di segnale, e controllare che l’angolo di eccitazione dei due modi è lo stesso quando la lunghezza d’onda di illuminazione è fissata. La validazione del nostro campione è descritta nel Capitolo 3 dove design diversi della piattaforma sono analizzati usando l’acqua come mezzo esterno. La sovrapposizione dei modi è stata anche utilizzata per acquisire delle misure preliminari di dicroismo circolare durante gli ultimi giorni di dottorato, che lasciano spazio per ulteriori sviluppi e miglioramenti nel processo di acquisizione. La generazione simultanea dei modi TE e TM, infatti, permette di originare una cosiddetta onda “superchirale”, usata per lo studio di molecole chirali. La chiralità è un’importante proprietà geometrica degli oggetti che non possono essere sovrapposti alla loro immagine speculare per mezzo di sole traslazioni e rotazioni e, poiché molti componenti biologici sono chirali, lo studio di questa proprietà ha molte applicazioni nella fisica molecolare, nella chimica e nelle scienze della vita. Successivamente, la sovrapposizione dei modi è stata utilizzata per compiere misure sensibili alla polarizzazione dove è possibile studiare la birifrangenza di uno strato molecolare, che significa poter distinguere tra molecole disordinate oppure ordinatamente disposte sulla superficie. Per quanto riguarda questo argomento, abbiamo studiato la birifrangenza di uno strato composto da singole eliche di DNA immobilizzate sulla superficie del cristallo fotonico attraverso il tracciamento delle risonanze TE e TM. I risultati sono mostrati nel Capitolo 4. Nell’ambito dei plasmoni di superficie invece, abbiamo lavorato su un biosensore il cui obbiettivo finale è il riconoscimento di un antigene specifico nel sangue. I biosensori sono composti da un trasduttore che raccoglie la risposta biologica, e da un sistema elettronico che lo elabora e lo mostra all’utilizzatore. Abbiamo quindi lavorato sulla validazione ottica del protocollo di funzionalizzazione del biosensore, e l’attività è riportata nel Capitolo 5. Abbiamo analizzato un prototipo del trasduttore, controllando che ogni step di funzionalizzazione fosse riuscito. Successivamente, abbiamo svolto delle misure preliminari con l’obbiettivo di distinguere la fase di associazione dell’antigene con il rispettivo anticorpo. I risultati ottici sono stati quindi comparati con la caratterizzazione elettronica del campione, presentando un corretto accordo che conferma il buon funzionamento del sensore in analisi.