Progetto e sviluppo di un sistema compatto e portatile basato su risonanza plasmonica superficiale localizzata

Optical sensors for detection of biomolecular interactions are an evolving and interesting issue. A new class of biosensors is based on the optical phenomenon known as Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) that occurs at the interface between noble metal nanoparticles and a dielectric. The resonance consists of an oscillation of conduction metal electrons excited by incident photons: the excitation results in a peak in the extinction spectrum of the metal, highly dependent both on the geometry of the nanoparticles and on the refractive index of the surrounding local environment. The detection of LSPR wavelength peak shift allows the transduction of molecular binding events, such as antibody-antigen interactions, DNA and RNA hybridization, protein adsorption and ligand-receptor binding. Thanks to the nanoscale plasmon localization, it is possible to reduce the size of the sensor and to develop a platform for multiplexed analysis, main feature in a lot of applications including drug discovery and clinical diagnostics. In conclusion, LSPR sensing is a sensitive and powerful technique which provides a low cost and miniature alternative to commercially available sensors. Aim of this thesis is the project and development of a compact and portable transmission setup for LSPR sensing, made up of three main components: the lab-on-chip, the optical detector unit and the microfluidic system. The sensor chip is a Fluorinated Tin Oxide coated slide upon which gold nanoislands are evaporated; molecular interactions occur between biodetectors immobilized on the disposable chip and target analytes. The optical unit (a light source and a CMOS camera) detects the LSPR signal and the microfluidic system actively controls buffer and sample flows through the chip. The CMOS sensor measures the light transmitted through the sensor surface in real time, then the recorded images are processed on a computer in order to obtain information about binding events. Two processing methods are used: the first one is based on the extraction of the hue, dependent on the transmitted spectral wavelength; the second one is based on an algorithm which extracts the peak location of the extinction spectrum. The biological sensing is demonstrated monitoring aptamer-tobramycin binding: according to the results, the system is able to detect up to 2 uM of tobramycin concentration.

I sensori ottici per la rilevazione di interazioni biomolecolari costituiscono un ambito di grande interesse ed in continua evoluzione. Una nuova classe di biosensori è basata sul fenomeno ottico noto come Risonanza Plasmonica Superficiale Localizzata (LSPR), che si verifica all’interfaccia tra nanoparticelle di metallo nobile e dielettrico. La risonanza consiste in un’oscillazione degli elettroni di conduzione del metallo eccitati dai fotoni incidenti: l’eccitazione determina un picco nello spettro di estinzione del metallo, fortemente dipendente sia dalla geometria delle nanoparticelle sia dall’indice di rifrazione del dielettrico locale circostante. La rilevazione dello spostamento della lunghezza d’onda del picco di LSPR permette la trasduzione di legami molecolari, quali interazioni antigene-anticorpo, ibridazione di DNA e RNA, adsorbimento di proteine e legami ligando-recettore. Grazie alla localizzazione del fenomeno su scala nanometrica, è possibile ridurre la dimensione del sensore e realizzare una piattaforma per analisi multicanali: ciò rappresenta un aspetto rilevante in numerose applicazioni, come ricerca farmacologica e diagnostica clinica. In conclusione, la rilevazione LSPR è una tecnica potente e sensibile che offre un’alternativa a basso costo e miniaturizzata rispetto ai sensori disponibili in commercio. Lo scopo della tesi è il progetto e lo sviluppo di un sistema compatto e portatile per la rilevazione LSPR in trasmissione, costituito da tre componenti principali: lab-on-chip, unità di rilevazione ottica e sistema microfluidico. Il chip è un substrato di vetro ricoperto da uno strato di ossido di stagno dopato al fluoro, su cui sono evaporate nanoisole d’oro; le interazioni molecolari avvengono tra le sonde immobilizzate sul chip usa e getta e le molecole bersaglio presenti in soluzione. L’unità ottica (una sorgente di luce ed un sensore CMOS) rileva il segnale LSPR, mentre il sistema microfluidico controlla attivamente il flusso dei campioni nel chip. Il sensore CMOS misura in tempo reale la luce trasmessa attraverso la superficie del sensore e le immagini registrate sono successivamente processate da un computer, in modo da ottenere l’informazione riguardante i fenomeni di interazione molecolare. Sono utilizzati due metodi di elaborazione: il primo consiste nell’estrazione della tinta, dipendente dalla lunghezza d’onda spettrale trasmessa; il secondo è basato su un algoritmo che estrae la posizione del picco nello spettro di estinzione. La rilevazione di fenomeni biologici è dimostrata monitorando il legame aptamero-tobramicina: secondo i risultati, il sistema è in grado di rilevare tobramicina fino ad una concentrazione pari a 2 uM.