Un metodo per la fabbricazione controllabile della fibra ottica

Jun 08, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9566 (2022) Citare questo articolo

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I biosensori a risonanza plasmonica superficiale localizzata (OF-LSPR) basati su fibra ottica sono emersi come uno strumento miniaturizzato ultrasensibile per una grande varietà di applicazioni. La loro fabbricazione mediante immobilizzazione chimica di nanoparticelle d'oro (AuNP) sulla faccia terminale della fibra ottica è un metodo semplice e versatile. Tuttavia, può rendere scarsa riproducibilità dato il numero di parametri che influenzano il legame degli AuNP. Al fine di sviluppare un metodo per ottenere sensori OF-LSPR con elevata riproducibilità, abbiamo studiato l'effetto che fattori quali temperatura, concentrazione di AuNP, dimensione del nucleo della fibra e tempo di immersione avevano sul numero e aggregazione di AuNP sulla superficie delle fibre e il loro segnale di risonanza. Il nostro metodo consisteva nel controllare la deposizione di una determinata densità di AuNP sulla punta della fibra misurando il suo segnale LSPR (o segnale plasmonico, Sp) in tempo reale. I sensori così creati sono stati utilizzati per misurare i cambiamenti nell'indice di rifrazione dell'ambiente circostante e i risultati hanno mostrato che, all'aumentare del numero di AuNP sulle sonde, i cambiamenti nei valori massimi Sp erano sempre più bassi ma gli spostamenti della lunghezza d'onda erano maggiori. Questi risultati hanno evidenziato l'importanza del controllo della relazione tra la composizione del sensore e le sue prestazioni.

La risonanza plasmonica superficiale localizzata (LSPR) è la risonanza degli elettroni liberi su una nanostruttura di metallo nobile (solitamente oro o argento) quando eccitati da una luce la cui lunghezza d'onda è maggiore della loro dimensione. Questa oscillazione coerente si traduce in uno spettro di diffusione e assorbimento unico che dipende dalla composizione, dimensione, forma e densità superficiale delle nanostrutture ma anche dalle caratteristiche chimiche e fisiche dell'ambiente circostante, producendo un segnale il cui massimo ha raggiunto un valore specifico ed è stato posizionato ad una lunghezza d'onda specifica1. I sensori basati su LSPR sfruttano questa sensibilità per misurare le modifiche indotte dal bersaglio nell'ambiente immediato delle nanostrutture metalliche come cambiamenti dell'indice di rifrazione, accoppiamento plasmonico-molecolare o crescita di nanoparticelle; sebbene il primo sia il più utilizzato2, misurato come spostamenti della lunghezza d'onda o cambiamenti nei valori massimi del segnale. A causa della loro natura ultrasensibile e senza etichetta, questo tipo di sensori ha suscitato un crescente interesse nel campo del biosensing3,4,5,6.

Le fibre ottiche (OF) trasmettono segnali luminosi tra due punti grazie alla loro riflessione interna totale dovuta alla differenza tra gli indici di rifrazione del loro nucleo e del rivestimento. Come sensori, gli OF offrono una miriade di vantaggi, tra cui le dimensioni miniaturizzate e la flessibilità, che li rendono strumenti estremamente versatili da implementare in dispositivi portatili insieme a una semplice configurazione ottica7. Queste proprietà, oltre all'elevata immunità elettromagnetica, alla durata, alle capacità di rilevamento remoto, al rapporto costo-efficacia e all'affidabilità, li hanno resi piattaforme eccellenti per il rilevamento chimico e biologico8,9,10,11. Quando gli OF sono combinati con l'effetto LSPR, è possibile ottenere biosensori OF-LSPR ultrasensibili e ultra piccoli12,13,14,15,16,17,18.

Esistono tre principali gruppi di configurazioni in cui tutti i diversi tipi di fibre ottiche possono essere sfruttati come biosensori: attraverso l'eccitazione diretta della loro faccia terminale19, attraverso l'esposizione del loro nucleo sulla loro dimensione longitudinale20 o attraverso l'accoppiamento risonante di reticoli interni21,22 . In questo studio viene scelta la prima strategia, che fornisce una migliore interazione luce-campione, è meno complessa da fabbricare e consente la rigenerazione del sensore semplicemente tagliando la fibra ottica23,24.

Sebbene i metodi litografici siano consolidati come l'opzione principale per nanostrutturare la sfaccettatura di una fibra ottica e per fabbricare altri tipi di piattaforme nanospettroscopiche, possono richiedere molto tempo, essere complessi e costosi, a causa del costo elevato e delle dimensioni ingombranti dell'attrezzatura richiesta25 ,26,27,28,29,30,31. Al contrario, l’immobilizzazione chimica delle nanoparticelle d’oro (AuNP) sulla faccia terminale di una fibra ottica risulta in un processo molto più semplice ed economico. Kajikawa e collaboratori hanno descritto questo metodo per la prima volta32, ed è stato ampiamente utilizzato nell'ultimo decennio per molte applicazioni di biorilevamento33,34,35,36,37,38,39,40. Questo metodo consiste nell'attaccare gli AuNP colloidali a un monostrato autoassemblato (SAM) mediante immersione della sfaccettatura della fibra funzionalizzata in una sospensione di AuNP, che richiede meno attrezzature ed è più versatile (può essere utilizzato con qualsiasi tipo di NP).