Studio e realizzazione di sensori ottici basati su nanostrutture di oro per il rilevamento di contaminanti = Study and Development of Optical Sensors Based on Gold Nanostructures for Contaminants Detection

La spettroscopia Raman amplificata da superficie (SERS – Surface Enhanced Raman Spectroscopy) è una variante della spettroscopia Raman tradizionale, nella quale, il segnale molto debole dovuto allo scattering Raman è amplificato di diversi ordini di grandezza da alcuni fenomeni ottici superficiali noti come plasmoni di superficie o plasmoni localizzati. I plasmoni di superficie sono oscillazioni collettive di elettroni che si osservano solitamente quando un'interfaccia metallo-dielettrico viene eccitata da una radiazione elettromagnetica di frequenza opportuna. Il SERS è una tecnica che combina l’utilizzo di un normale spettrometro Raman ad un substrato nano-ingegnerizzato. Tale substrato puèo essere realizzato partendo da vetri funzionalizzati con amminopropiletossisilano (APTMS) e ricoperti con nanoparticelle d'oro che vengono poi cresciute affinché si creino degli “hot-spot” dove avviene la massima amplificazione SERS. In fase di analisi di un composto chimico mediante questa tecnica, l’analita viene fatto adsorbire su tale substrato e si procede all’acquisizione dello spettro Raman. Tale tecnica trova interessanti applicazioni pratiche ad esempio nel rilevamento di contaminanti in acqua. La presente tesi è stata svolta con l’obiettivo di studiare, fabbricare e caratterizzare dei substrati/sensori per spettroscopia SERS e, in particolare, creare e validare un modello teorico per controllare e ingegnerizzare la distanza delle nanoparticelle d'oro depositate sul substrato di vetro funzionalizzato. Innanzitutto, il potenziale zeta dei vetri è stato misurato nell'intervallo di pH da 2 a 7, sia prima che dopo la funzionalizzazione con APTMS. Si è poi proceduto, per quanto riguarda le nanoparticelle d'oro a ricavare la distribuzione dimensionale e il potenziale zeta nell'intervallo di pH da 3 a 7 tramite la tecnica del Dynamic Light Scattering. È stata eseguita una simulazione Monte Carlo basata su un modello di Random Sequential Adsorption (RSA) nelle diverse condizioni di pH, utilizzando i valori di zeta potential dei vetri e delle nanoparticelle misurati, ed è stata effettuata un'analisi statistica della distanza media tra le nanoparticelle. I risultati delle simulazioni sono stati infine utilizzati per guidare la scelta dei parametri di deposizione delle particelle sul vetro funzionalizzato regolando la distanza media tra di esse mediante aggiustamento del pH. Dopo la deposizione, le stesse nanoparticelle sono state cresciute con mediante reazione di riduzione di HAuCl4 e H2O2 per ottenere il substrato d'oro e quindi il sensore finale. Il controllo dei sensori così fabbricati è stato realizzato mediante Microscopio a Forza Atomica (AFM) e microscopia elettronica processando i dati mediante analisi statistica per validare la qualità del substrato e la correttezza del modello teorico. I sensori realizzati sono stati utilizzati come substrati SERS per rilevare Tyram (un funghicida) in acqua a diverse concentrazioni. Per tale contaminante si è ottenuto un limite di rilevabilità (LOD – Limit of Detection) di circa 800 pM (circa 200 ppt).