A characterization of a nanohole grating refractive index sensor for biosensing applications

Sub-wavelength periodic structures imprinted in metallic films give rise to enhanced transmission features which are sensitive to changes in refractive index at the surface. Variations in the transmission spectral output can be quantified to detect the concentration of analyte in a solution and the surface of the film can be readily modified with a variety of synthetic recognition elements, biomolecules, and well-established silane chemistry to allow for molecule recognition at the surface of the grating. These nanohole gratings can also be used to couple light into planar optical waveguides, which make ideal signal transducers because of their sturdiness, easy patterning of reagents, and easy incorporation of polymer materials. This thesis seeks to characterize nanohole structures imprinted on aluminum thin films as refractive index sensors that can be incorporated as transduction elements into biosensing technologies as well as to provide a path to optimization of an integrated biosensing device. Aluminum, a previously unexamined material for these nanohole array imprinted devices, was used as the metallic thin film and demonstrated similar enhanced transmission effects to well known plasmonic materials like silver and gold, which cost much more than aluminum. The aluminum film was imprinted with a periodic nanoscale array of holes using an etching procedure, and then evaluated as a refractive index sensor. The bulk sensitivity of the nanohole array samples was determined through solvent characterization as well as exposure to varying thicknesses of a deposited layer of polymer. The ability of the potential transduction element to detect affinity reactions occurring at the surface was evaluated using well known biomolecular recognition experiments as well as synthetic recognition experiments using molecularly imprinted polymer films (MIPs). MIPs are a biomimetic receptors can create receptors for a variety of molecular structures, enable large-scale chip fabrication, are reusable, and offer superior stability when exposed to solvents and temperature extremes. The potential to combine the nanohole array transducer element with this synthetic recognition element is examined here. A theoretical optimization of the grating pitch for optimal detection capability was performed and the future path of optimizing an integrated biosensing device is discussed.

Le strutture periodiche di lunghezza d’onda inferiore impresse in film metallici danno origine a caratteristiche migliorate di trasmissione che sono sensibili alle variazioni dell'indice di rifrazione sulla superficie. Le variazioni nell’emissione spettrale possono essere quantificate per rilevare la concentrazione di analita in una soluzione e la superficie del film può essere facilmente modificata con una varietà di elementi di riconoscimento sintetici, biomolecole e applicando la ben consolidata chimica del silano al fine di consentire il riconoscimento della molecola alla superficie della griglia. Questi reticoli nanohole possono essere utilizzati anche per indirizzare la luce in guide d’onda ottiche piane, il che li rende trasduttori di segnale ideali a causa della loro robustezza, della facile schematizzazione dei reagenti, e della facile integrabilità con materiali polimerici. Questa tesi cerca di caratterizzare strutture nanohole impresse su film sottili di alluminio come sensori di indice di rifrazione che possono essere incorporati come elementi di trasduzione in tecnologie di biopercezione e per fornire un percorso di ottimizzazione di un dispositivo integrato di biosensori. Alluminio, un materiale precedentemente inesplorato per questi dispositivi di matrice nanohole impressa, è stato utilizzato come film metallico sottile e ha dimostrato effetti similari a ben noti materiali plasmonici come l'argento e l'oro, che costano molto di più rispetto all'alluminio, nel miglioramento nella trasmissione,. Il film di alluminio è stato stampato con un ordinamento nanometrico periodico di fori utilizzando una procedura di incisione, e quindi valutato come un sensore di indice di rifrazione. La sensibilità bulk dei campioni di matrice nanohole è stata determinata attraverso la caratterizzazione del solvente così come attraverso l'esposizione a diversi spessori di uno strato di polimero depositato. La capacità dell'elemento di trasduzione di rilevare reazioni di affinità che si verificano in corrispondenza della superficie è stata valutata utilizzando ben noti esperimenti di riconoscimento biomolecolare nonché esperimenti di riconoscimento sintetico usando dei molecularly impressed polymer films (MIP). I MIP sono recettori biomimetici che possono creare recettori per una varietà di strutture molecolari, abilitare la fabbricazione di chip su larga scala, sono riutilizzabili, e offrono una stabilità superiore quando esposti a solventi e a temperature estreme. La potenzialità di combinare l’elemento trasduttore a struttura nanohole con l’elemento di riconoscimento sintetico viene qui esaminata. Una ottimizzazione teorica del passo di griglia per la capacità di rilevazione ottimale è stata eseguita e il percorso futuro di ottimizzare un dispositivo integrato di biorilevamento è discusso.