Complementary surface-enhanced resonance raman spectroscopic biodetection of mixed protein solutions by chitosan- and silica-coated plasmon-tuned silver nanoparticles

Silver nanoparticles with identical plasmonic properties but different surface functionalities are synthesized and tested as chemically selective surface-enhanced resonance Raman (SERR) amplifiers in a two-component protein solution. The surface plasmon resonances of the particles are tuned to 413 nm to match the molecular resonance of protein heme cofactors. Biocompatible functionalization of the nanoparticles with a thin film of chitosan yields selective SERR enhancement of the anionic protein cytochrome b5, whereas functionalization with SiO2 amplifies only the spectra of the cationic protein cytochrome c. As a result, subsequent addition of the two differently functionalized particles yields complementary information on the same mixed protein sample solution. Finally, the applicability of chitosan-coated Ag nanoparticles for protein separation was tested by in situ resonance Raman spectroscopy.

Nanocomposites as probes for biodetection by SERS

The present work aimed to explore the potential of new nanocomposites based on carbon nanostructures and metal nanoparticles for the detection of biomolecules through surface enhanced Raman scattering (SERS). In a first step, polyvinyl alcohol composites were prepared incorporating silver nanoparticles by two different reduction procedures. At first without introduction of carbon nanostructures. These composites showed good results for the SERS identification of nucleic acids. Next, the synthesis and characterization of graphene oxide was studied to be used in the preparation of silver and gold nanocomposites. The reduction of this nanomaterial with different chemical agents was explored, since its reduction degree may be a determinant factor for the application envisaged (biomolecules interaction). The preparation of the nanocomposites with silver and gold was performed with different reducing agents. The SERS activity of these new nanocomposites was then explored in the presence of different analytes, varying the experimental conditions for Raman spectra acquisition. It was interesting to verify that the silver containing nanocomposites presented the particularity to intensify the graphene D and G bands. It is also important to highlight that a new eco-friendly reducing agent was tested for the synthesis of the graphene oxide composites, an Eucalyptus Globulus extract. Other variable introduced was the preparation of gold nanostars synthesized with hydroxylamine in the presence of graphene oxide, which allowed the preparation of a new nanocomposite with SERS potential. Fibrous membranes were also prepared by electrospinning with the aim to prepare SERS supports with adequate topography and porosity for the formation of nanoparticles agglomerates for the creation of the so-called hot-spots and also to allow the penetration of the analyte molecules. The polymers polyvinyl alcohol and polyacrylonitrile were selected for electrospinning. Using this technique, electrospun mantles with silver and gold nanoparticles and nanocomposites were prepared. Several variables were studied, such as the introduction of the nano-fillers during the electrospinning process, later deposition of the nano-fillers on the simple electrospun polymeric fibres and surface functionalization of the simple polymeric membranes to link the nano-fillers. At last, the potentialities of using carbon nanotubes forests, produced by chemical vapor deposition and coated with gold film by sputtering, as new SERS substrates were explored. It was found that the SERS detection of DNA bases and ADN itself is possible using these substrates.

Metamaterials Nanosensor for Label-free Analysis of Conformation and Molecular Interaction of Biomolecules

Analysis of molecular interaction and conformational dynamics of biomolecules is of paramount importance in understanding of their vital functions in complex biological systems, disease detection, and new drug development. Plasmonic biosensors based upon surface plasmon resonance and localized surface plasmon resonance have become the predominant workhorse for detecting accumulated biomass caused by molecular binding events. However, unlike surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), the plasmonic biosensors indeed are not suitable tools to interrogate vibrational signatures of conformational transitions required for biomolecules to interact. Here, we show that plasmonic metamaterials can offer two transducing channels for parallel acquisition of optical transmission and sensitive SERS spectra at the biointerface, simultaneously probing the conformational states and binding affinity of biomolecules, e.g. G-quadruplexes, in different environments (Fig. 1). We further demonstrate the use of the metamaterials for fingerprinting and detection of arginine-glycine-glycine domain of nucleolin, a cancer biomarker which specifically binds to a G-quadruplex, with the picomolar sensitivity. The dual-mode nanosensor will significantly contribute to unraveling the complexes of the conformational dynamics of biomolecules as well as to improving specificity of biodetection assays.

Label-free Analysis of Conformational Dynamics and Molecular Interaction of Biomolecules by Vis-NIR Metasensor

Analysis of binding recognition and conformation of biomolecules is of paramount important in understanding of their vital functions in complex biological systems. By enabling sub-wavelength light localization and strong local field enhancement, plasmonic biosensors have become dominant tools used for such analysis owing to their label-free and real-time attributes1,2. However, the plasmonic biosensors are not well-suited to provide information regarding conformation or chemical fingerprint of biomolecules. Here, we show that plasmonic metamaterials, consisting of periodic arrays of artificial split-ring resonators (SRRs)3, can enable capabilities of both sensing and fingerprinting of biomolecules. We demonstrate that by engineering geometry of individual SRRs, localized surface plasmon resonance (LSPR) frequency of the metamaterials could be tuned to visible-near infrared regimes (Vis-NIR) such that they possess high local field enhancement for surface-enhanced Raman scattering spectroscopy (SERS). This will provide the basis for the development of a dual mode label-free conformational-resolving and quantitative detection platform. We present here the ability of each sensing mode to independently detect binding adsorption and to identify different conformational states of Guanine (G)-rich DNA monolayers in different environment milieu. Also shown is the use of the nanosensor for fingerprinting and detection of Arginine-Glycine-Glycine (RGG) peptide binding to the G-quadruplex aptamer. The dual-mode nanosensor will significantly contribute to unraveling the complexes of the conformational dynamics of biomolecules as well as to improving specificity of biodetection assays that the conventional, population-averaged plasmonic biosensors cannot achieve.

Propriétés optiques et analytiques des nanotrous : vers la conception de biocapteurs en résonance des plasmons de surface localisés

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Étude des propriétés plasmoniques des réseaux de nanotrous

Les réseaux de nanotrous sont des structures plasmoniques ayant un énorme potentiel en tant que transducteurs pour la conception de biocapteurs. De telles structures sont prometteuses pour l’élaboration de biocapteurs capable d’effectuer du criblage à haut débit. L’intérêt de travailler avec des réseaux de nanotrous est dû à la simplicité d’excitation des polaritons de plasmons de surface en transmission directe, à la sensibilité et à la facilité de fabrication de ces senseurs. L’architecture de tels réseaux métalliques permet la conception de nanostructures ayant de multiples propriétés plasmoniques. L’intensité, la signature spectrale et la sensibilité du signal plasmonique sont grandement affectées par l’aspect physique du réseau de nanotrous. L’optimisation du signal plasmonique nécessite ainsi un ajustement du diamètre des trous, de la périodicité et de la composition métallique du réseau. L'agencement de l'ensemble de ces paramètres permet d'identifier une structure optimale possédant une périodicité de 1000 nm, un diamètre des nanotrous de 600-650 nm et un film métallique ayant une épaisseur de 125 nm d'or. Ce type de transducteur a une sensibilité en solution de 500-600 nm/RIU pour des bandes plasmoniques situées entre 600-700 nm. L'intérêt de travailler avec cette structure est la possibilité d'exciter les plasmons de polaritons de surface (SPPs) selon deux modes d'excitation : en transmission exaltée (EOT) ou en réflexion totale interne par résonance des plasmons de surface (SPR). Une comparaison entre les propriétés plasmoniques des senseurs selon les modes d'excitation permet de déterminer expérimentalement que le couplage de la lumière avec les ondes de SPP de Bloch (BW-SPPs) en transmission directe résulte en un champ électromagnétique davantage propagatif que localisé. D'un point de vue analytique, la biodétection de l'IgG en SPR est 6 fois plus sensible par rapport au mode EOT pour une même structure. Une étude du signal plasmonique associé au BW-SPP pour un certain mode de diffraction démontre que la distance de pénétration de ces structures en EOT est d'environ 140 nm. La limite de détection de l'IgG humain pour un réseau de nanotrous de 1000 nm de périodicité est d'environ 50 nM en EOT. Ce mémoire démontre la viabilité des réseaux de nanotrous pour effectuer de la biodétection par criblage à haut débit lors de prochaines recherches. L'investigation de l'effet de l'angle d'excitation en transmission exaltée par rapport au signal plasmonique associé au mode (1,0) d'un réseau de nanotrous de 820 nm d'or démontre que la sensibilité en solution n'est pas proportionnelle à la sensibilité en surface du senseur. En fait, une optimisation de l'angle d'incidence pour le mode (1,0) de diffraction des BW-SPP permet d'amplifier la sensibilité en surface du senseur jusqu'à 3-fois pour un angle de 13,3°. Ce mémoire démontre ainsi la nécessité d'optimiser l'angle d'excitation et les propriétés physiques du senseur afin de développer un transducteur de grande sensibilité basé sur l'excitation en transmission de réseaux de nanotrous.

Détection de protéines par diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS)

La concentration locale des messagers chimiques sécrétés par les cellules peut être mesurée afin de mieux comprendre les mécanismes moléculaires liés à diverses maladies, dont les métastases du cancer. De nouvelles techniques analytiques sont requises pour effectuer ces mesures locales de marqueurs biologiques à proximité des cellules. Ce mémoire présentera le développement d’une nouvelle technique basée sur la réponse plasmonique sur des leviers AFM, permettant d’étudier les réactions chimiques et biologiques à la surface des leviers grâce au phénomène de résonance des plasmons de surface (SPR), ainsi qu’à la diffusion Raman exaltée par effet de pointe (TERS). En effet, il est possible de localiser l’amplification du signal Raman à la pointe d’un levier AFM, tout comme le principe de la diffusion Raman exaltée par effet de surface (SERS) basée sur la diffusion de la lumière par des nanoparticules métalliques, et permettant une large amplification du signal Raman. La surface du levier est recouverte d’une nano-couche métallique d’or, suivi par des réactions biologiques pour l’immobilisation d’un récepteur moléculaire, créant ainsi un biocapteur sur la pointe du levier. Une détection secondaire utilisant des nanoparticules d’or conjuguées à un anticorps secondaire permet également une amplification du signal SPR et Raman lors de la détection d’antigène. Ce mémoire démontrera le développement et la validation de la détection de l’immunoglobuline G (IgG) sur la pointe du levier AFM.Dans des projets futurs, cette nouvelle technique d’instrumentation et d’imagerie sera optimisée grâce à la création d’un micro-détecteur protéique généralement adapté pour l’étude de la communication cellulaire. En intégrant le signal SPR à la microscopie AFM, il sera alors possible de développer des biocapteurs SPR couplés à une sonde à balayage, ce qui permettra d’effectuer une analyse topographique et de l’environnement chimique d’échantillons cellulaires en temps réel, pour la mesure des messagers moléculaires sécrétés dans la matrice extracellulaire, lors de la communication cellulaire.

Optimization of a label-free biosensor vertically characterized based on a periodic lattice of high aspect ratio SU-8 nano-pillars with a simplified 2D theoretical model

We have recently demonstrated a biosensor based on a lattice of SU8 pillars on a 1 μm SiO2/Si wafer by measuring vertically reflectivity as a function of wavelength. The biodetection has been proven with the combination of Bovine Serum Albumin (BSA) protein and its antibody (antiBSA). A BSA layer is attached to the pillars; the biorecognition of antiBSA involves a shift in the reflectivity curve, related with the concentration of antiBSA. A detection limit in the order of 2 ng/ml is achieved for a rhombic lattice of pillars with a lattice parameter (a) of 800 nm, a height (h) of 420 nm and a diameter(d) of 200 nm. These results correlate with calculations using 3D-finite difference time domain method. A 2D simplified model is proposed, consisting of a multilayer model where the pillars are turned into a 420 nm layer with an effective refractive index obtained by using Beam Propagation Method (BPM) algorithm. Results provided by this model are in good correlation with experimental data, reaching a reduction in time from one day to 15 minutes, giving a fast but accurate tool to optimize the design and maximizing sensitivity, and allows analyzing the influence of different variables (diameter, height and lattice parameter). Sensitivity is obtained for a variety of configurations, reaching a limit of detection under 1 ng/ml. Optimum design is not only chosen because of its sensitivity but also its feasibility, both from fabrication (limited by aspect ratio and proximity of the pillars) and fluidic point of view. (© 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)

Development of a versatile biotinylated material based on SU-8

The negative epoxy-based SU-8 photoresist has a wide variety of applications within the semiconductor industry, photonics and lab-on-a-chip devices, and it is emerging as an alternative to silicon-based devices for sensing purposes. In the present work, biotinylation of the SU-8 polymer surface promoted by light is reported. As a result, a novel, efective, and low-cost material, focusing on the immobilization of bioreceptors and consequent biosensing, is developed. This material allows the spatial discrimination depending on the irradiation of desired areas. The most salient feature is that the photobiotin may be directly incorporated into the SU-8 curing process, consequently reducing time and cost. The potential use of this substrate is demonstrated by the immunoanalytical detection of the synthetic steroid gestrinone, showing excellent performances. Moreover, the naked eye biodetection due to the transparent SU-8 substrate, and simple instrumental quantication are additional advantages.

CMOS integration of AlN based piezoelectric microcantilevers

El gran crecimiento de los sistemas MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) así como su presencia en la mayoría de los dispositivos que usamos diariamente despertó nuestro interés. Paralelamente, la tecnología CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) es la tecnología más utilizada para la fabricación de circuitos integrados. Además de ventajas relacionadas con el funcionamiento electrónico del dispositivo final, la integración de sistemas MEMS en la tecnología CMOS reduce significantemente los costes de fabricación. Algunos de los dispositivos MEMS con mayor variedad de aplicaciones son los microflejes. Estos dispositivos pueden ser utilizados para la extracción de energía, en microscopios de fuerza atómica o en sensores, como por ejemplo, para biodetección. Los materiales piezoeléctricos más comúnmente utilizados en aplicaciones MEMS se sintetizan a altas temperaturas y por lo tanto no son compatibles con la tecnología CMOS. En nuestro caso hemos usado nitruro de alumino (AlN), que se deposita a temperatura ambiente y es compatible con la tecnología CMOS. Además, es biocompatible, y por tanto podría formar parte de un dispositivo que actúe como biosensor. A lo largo de esta tesis hemos prestado especial atención en desarrollar un proceso de fabricación rápido, reproducible y de bajo coste. Para ello, todos los pasos de fabricación han sido minuciosamente optimizados. Los parámetros de sputtering para depositar el AlN, las distintas técnicas y recetas de ataque, los materiales que actúan como electrodos o las capas sacrificiales para liberar los flejes son algunos de los factores clave estudiados en este trabajo. Una vez que la fabricación de los microflejes de AlN ha sido optimizada, fueron medidos para caracterizar sus propiedades piezoeléctricas y finalmente verificar positivamente su viabilidad como dispositivos piezoeléctricos. ABSTRACT The huge growth of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) as well as their presence in most of our daily used devices aroused our interest on them. At the same time, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technology is the most popular technology for integrated circuits. In addition to advantages related with the electronics operation of the final device, the integration of MEMS with CMOS technology reduces the manufacturing costs significantly. Some of the MEMS devices with a wider variety of applications are the microcantilevers. These devices can be used for energy harvesting, in an atomic force microscopes or as sensors, as for example, for biodetection. Most of the piezoelectric materials used for these MEMS applications are synthesized at high temperature and consequently are not compatible with CMOS technology. In our case we have used aluminum nitride (AlN), which is deposited at room temperature and hence fully compatible with CMOS technology. Otherwise, it is biocompatible and and can be used to compose a biosensing device. During this thesis work we have specially focused our attention in developing a high throughput, reproducible and low cost fabrication process. All the manufacturing process steps of have been thoroughly optimized in order to achieve this goal. Sputtering parameters to synthesize AlN, different techniques and etching recipes, electrode material and sacrificial layers are some of the key factors studied in this work to develop the manufacturing process. Once the AlN microcantilevers fabrication was optimized, they were measured to characterize their piezoelectric properties and to successfully check their viability as piezoelectric devices.

Design, fabrication and characterization of resonant waveguide grating based optical biosensors

The absence of rapid, low cost and highly sensitive biodetection platform has hindered the implementation of next generation cheap and early stage clinical or home based point-of-care diagnostics. Label-free optical biosensing with high sensitivity, throughput, compactness, and low cost, plays an important role to resolve these diagnostic challenges and pushes the detection limit down to single molecule. Optical nanostructures, specifically the resonant waveguide grating (RWG) and nano-ribbon cavity based biodetection are promising in this context. The main element of this dissertation is design, fabrication and characterization of RWG sensors for different spectral regions (e.g. visible, near infrared) for use in label-free optical biosensing and also to explore different RWG parameters to maximize sensitivity and increase detection accuracy. Design and fabrication of the waveguide embedded resonant nano-cavity are also studied. Multi-parametric analyses were done using customized optical simulator to understand the operational principle of these sensors and more important the relationship between the physical design parameters and sensor sensitivities. Silicon nitride (SixNy) is a useful waveguide material because of its wide transparency across the whole infrared, visible and part of UV spectrum, and comparatively higher refractive index than glass substrate. SixNy based RWGs on glass substrate are designed and fabricated applying both electron beam lithography and low cost nano-imprint lithography techniques. A Chromium hard mask aided nano-fabrication technique is developed for making very high aspect ratio optical nano-structure on glass substrate. An aspect ratio of 10 for very narrow (~60 nm wide) grating lines is achieved which is the highest presented so far. The fabricated RWG sensors are characterized for both bulk (183.3 nm/RIU) and surface sensitivity (0.21nm/nm-layer), and then used for successful detection of Immunoglobulin-G (IgG) antibodies and antigen (~1μg/ml) both in buffer and serum. Widely used optical biosensors like surface plasmon resonance and optical microcavities are limited in the separation of bulk response from the surface binding events which is crucial for ultralow biosensing application with thermal or other perturbations. A RWG based dual resonance approach is proposed and verified by controlled experiments for separating the response of bulk and surface sensitivity. The dual resonance approach gives sensitivity ratio of 9.4 whereas the competitive polarization based approach can offer only 2.5. The improved performance of the dual resonance approach would help reducing probability of false reading in precise bio-assay experiments where thermal variations are probable like portable diagnostics.