An integrated optical waveguide biomimetic sensor based on a molecularly imprinted polymer : material characterization and design

Biosensors are chemical sensors in which the recognition element is a biological one. They have gained great attention thanks to their selectivity, sensitivity, possibility of real time monitoring and ease of operation, but their short shelf life, degradation in harsh pH or temperature conditions, high development and fabrication costs are problmatic issues. Molecularly imprinted polymers (MIPs) are a synthetic material emulating the mechanism of biological recognition by creating recognition sites in a polymeric net: polymerization of an appropriate prepolymerization mixture containing a template molecule (the analyte) is carried out. After template removal, the polymer presents suitably shaped cavities with exposed functional groups that only the template can enter again. This principle has been used to design a wide variety of sensors. Optical MIP based sensors are immune to electromagnetic interference, offer multiplexed detection and integration with other optoelectronic devices. Planar optical waveguide sensing allows label-free detection and offers great robustness and easy fabrication. Combining the advantages of MIPs and of waveguides shows great potential to become a successful strategy in designing biomimetic sensors. A MIP imprinted against the antibiotic enrofloxacin has been optically characterized with spectrophotometry and solvent index matching experiments in order to measure its refractive index, porosity and optical attenuation. Its recognition properties have been assessed by measuring diffraction efficiency modulations after exposure to analyte in a 2D MIP diffraction grating. Finally, a strip Si3N4 waveguide sensor with a MIP top cladding has been simulated to optimize core geometry for highest sensitivity.

Grande attenzione è rivolta ai biosensori per le loro doti di specificità e selettività nel riconoscimento molecolare, tuttavia essi sono inutilizzabili in condizioni di pH o temperature estreme, mentre i costi di sviluppo e fabbricazione sono alti. I polimeri a impronta molecolare (MIP) sono materiali artificiali che emulano le caratteristiche dell’elemento recettore usato nei biosensori, essendo però molto più robusti ed economici. Sono ottenuti facendo polimerizzare dei monomeri funzionali attorno a una molecola template, poi rimosso a polimerizzazione avvenuta, in modo da creare delle cavità dove solo il template può entrare ed essere riconosciuto. I MIP sono stati usati in vari tipi di sensori. I sensori ottici basati su MIP permettono una detezione multipla e possono essere integrati con altri dispositivi optoelettronici. Combinare i vantaggi dei MIP con quelli dei sensori a guida d’onda (riconoscimento label free, robustezza, facilità di fabbricazione) sembra essere una buona strategia per progettare sensori biomimetici. Un MIP per il riconoscimento della enrofloxacina è stato caratterizzato otticamente per misurarne indice di rifrazione, porosità, attenuazione ottica. Le performances di riconoscimento sono state valutate misurando la modulazione nell’efficienza di diffrazione in un reticolo di diffrazione 2D successivamente all’esposizione all’analita. La simulazione numerica di un sensore costituito da una guida d’onda planare di Si3N4 con un superstrato di MIP ha permesso di ottimizzare la geometria per ottenere la massima sensitività.