Visible range plasmonic effect produced by aluminium nanoparticles embedded in amorphous silicon

We present results, obtained by means of an analytic study and a numerical simulation, about the resonant condition necessary to produce a Localized Surface Plasmonic Resonance (LSPR) effect at the surface of metal nanospheres embedded in an amorphous silicon matrix. The study is based on a Lorentz dispersive model for a-Si:H permittivity and a Drude model for the metals. Considering the absorption spectra of a-Si:H, the best choice for the metal nanoparticles appears to be aluminium, indium or magnesium. No difference has been observed when considering a-SiC:H. Finite-difference time-domain (FDTD) simulation of an Al nanosphere embedded into an amorphous silicon matrix shows an increased scattering radius and the presence of LSPR induced by the metal/semiconductor interaction under green light (560 nm) illumination. Further results include the effect of the nanoparticles shape (nano-ellipsoids) in controlling the wavelength suitable to produce LSPR. It has been shown that is possible to produce LSPR in the red part of the visible spectrum (the most critical for a-Si:H solar cells applications in terms of light absorption enhancement) with aluminium nano-ellipsoids. As an additional results we may conclude that the double Lorentz-Lorenz model for the optical functions of a-Si:H is numerically stable in 3D simulations and can be used safely in the FDTD algorithm. A further simulation study is directed to determine an optimal spatial distribution of Al nanoparticles, with variable shapes, capable to enhance light absorption in the red part of the visible spectrum, exploiting light trapping and plasmonic effects. © 2015 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Multifunctional Biosensor Based on Localized Surface Plasmon Resonance for Monitoring Small Molecule–Protein Interaction

We report an optical sensor based on localized surface plasmon resonance (LSPR) to study small-molecule protein interaction combining high sensitivity refractive index sensing for quantitative binding information and subsequent conformation-sensitive plasmon-activated circular dichroism spectroscopy. The interaction of α-amylase and a small-size molecule (PGG, pentagalloyl glucose) was log concentration-dependent from 0.5 to 154 μM. In situ tests were additionally successfully applied to the analysis of real wine samples. These studies demonstrate that LSPR sensors to monitor small molecule–protein interactions in real time and in situ, which is a great advance within technological platforms for drug discovery.

Evolution of the surface plasmon resonance of Au:TiO2 nanocomposite thin films with annealing temperature

This paper reports on the changes in the structural and morphological features occurring in a particular type of nanocomposite thin-film system, composed of Au nanoparticles (NPs) dispersed in a host TiO2 dielectric matrix. The structural and morphological changes, promoted by in-vacuum annealing experiments of the as-deposited thin films at different temperatures (ranging from 200 to 800 C), resulted in a well-known localized surface plasmon resonance (LSPR) phenomenon, which gave rise to a set of different optical responses that can be tailored for a wide number of applications, including those for optical-based sensors. The results show that the annealing experiments enabled a gradual increase of the mean grain size of the Au NPs (from 2 to 23 nm), and changes in their distributions and separations within the dielectric matrix. For higher annealing temperatures of the as-deposited films, a broad size distribution of Au NPs was found (sizes up to 100 nm). The structural conditions necessary to produce LSPR activity were found to occur for annealing experiments above 300 C, which corresponded to the crystallization of the gold NPs, with an average size strongly dependent on the annealing temperature itself. The main factor for the promotion of LSPR was the growth of gold NPs and their redistribution throughout the host matrix. On the other hand, the host matrix started to crystallize at an annealing temperature of about 500 C, which is an important parameter to explain the shift of the LSPR peak position to longer wavelengths, i.e. a red-shift.

Thin films composed of gold nanoparticles dispersed in a dielectric matrix: the influence of the host matrix on the optical and mechanical responses

Gold nanoparticles were dispersed in two different dielectric matrices, TiO2 and Al2O3, using magnetron sputtering and a post-deposition annealing treatment. The main goal of the present work was to study how the two different host dielectric matrices, and the resulting microstructure evolution (including both the nanoparticles and the host matrix itself) promoted by thermal annealing, influenced the physical properties of the films. In particular, the structure and morphology of the nanocomposites were correlated with the optical response of the thin films, namely their localized surface plasmon resonance (LSPR) characteristics. Furthermore, and in order to scan the future application of the two thin film system in different types of sensors (namely biological ones), their functional behaviour (hardness and Young's modulus change) was also evaluated. Despite the similar Au concentrations in both matrices (~ 11 at.%), very different microstructural features were observed, which were found to depend strongly on the annealing temperature. The main structural differences included: (i) the early crystallization of the TiO2 host matrix, while the Al2O3 one remained amorphous up to 800 °C; (ii) different grain size evolution behaviours with the annealing temperature, namely an almost linear increase for the Au:TiO2 system (from 3 to 11 nm), and the approximately constant values observed in the Au:Al2O3 system (4–5 nm). The results from the nanoparticle size distributions were also found to be quite sensitive to the surrounding matrix, suggesting different mechanisms for the nanoparticle growth (particle migration and coalescence dominating in TiO2 and Ostwald ripening in Al2O3). These different clustering behaviours induced different transmittance-LSPR responses and a good mechanical stability, which opens the possibility for future use of these nanocomposite thin film systems in some envisaged applications (e.g. LSPR-biosensors).

Biological behaviour of thin films consisting of Au nanoparticles dispersed in a TiO2 dielectric matrix

In this work it was studied the possible use of thin films, composed of Au nanoparticles (NPs) embedded in a TiO2 matrix, in biological applications, by evaluating their interaction with a well-known protein, Bovine Serum Albumin (BSA), as well as with microbial cells (Candida albicans). The films were produced by one-step reactive DC magnetron sputtering followed by heat-treatment. The samples revealed a composition of 8.3 at.% of Au and a stoichiometric TiO2 matrix. The annealing promoted grain size increase of the Au NPs from 3 nm (at 300 °C) to 7 nm (at 500 °C) and a progressive crystallization of the TiO2 matrix to anatase. A broad localized surface plasmon resonance (LSPR) absorption band (λ = 580–720 nm) was clearly observed in the sample annealed at 500 °C, being less intense at 300 °C. The biological tests indicated that the BSA adhesion is dependent on surface nanostructure morphology, which in turn depends on the annealing temperature that changed the roughness and wettability of the films. The Au:TiO2 thin films also induced a significant change of the microbial cell membrane integrity, and ultimately the cell viability, which in turn affected the adhesion on its surface. The microstructural changes (structure, grain size and surface morphology) of the Au:TiO2 films promoted by heat-treatment shaped the amount of BSA adhered and affected cell viability.

Dispositius nanoplasmònics basats en polaritons anti-simètrics per apliacacions biosensores i nanofotòniques

Presentem un estudi teòric comparatiu de les sensibilitats en volum dels sensors d’índex de refracció basats en polaritó de plasmó superficial (SPP) i en ressonància localitzada de plasmó superficial (LSPR). Els resultats demostren que el sensor SPP, àmpliament conegut i comercialitzat, ofereix una major sensibilitat en volum comparada amb la del sensor LSPR, estant aquest últim basat en l’ús de nanorods d’or. A més, la figura de mèrit del sensor LSPR, emprada per a analitzar la seva capacitat sensora, exhibeix una regió sensora òptima quan la longitud d’ona de ressonància es troba propera a 700 nm.

Label-free detection of tobramycin in serum by transmission-localized surface plasmon resonance.

In order to improve the efficacy and safety of treatments, drug dosage needs to be adjusted to the actual needs of each patient in a truly personalized medicine approach. Key for widespread dosage adjustment is the availability of point-of-care devices able to measure plasma drug concentration in a simple, automated, and cost-effective fashion. In the present work, we introduce and test a portable, palm-sized transmission-localized surface plasmon resonance (T-LSPR) setup, comprised of off-the-shelf components and coupled with DNA-based aptamers specific to the antibiotic tobramycin (467 Da). The core of the T-LSPR setup are aptamer-functionalized gold nanoislands (NIs) deposited on a glass slide covered with fluorine-doped tin oxide (FTO), which acts as a biosensor. The gold NIs exhibit localized plasmon resonance in the visible range matching the sensitivity of the complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor employed as a light detector. The combination of gold NIs on the FTO substrate, causing NIs size and pattern irregularity, might reduce the overall sensitivity but confers extremely high stability in high-ionic solutions, allowing it to withstand numerous regeneration cycles without sensing losses. With this rather simple T-LSPR setup, we show real-time label-free detection of tobramycin in buffer, measuring concentrations down to 0.5 μM. We determined an affinity constant of the aptamer-tobramycin pair consistent with the value obtained using a commercial propagating-wave based SPR. Moreover, our label-free system can detect tobramycin in filtered undiluted blood serum, measuring concentrations down to 10 μM with a theoretical detection limit of 3.4 μM. While the association signal of tobramycin onto the aptamer is masked by the serum injection, the quantification of the captured tobramycin is possible during the dissociation phase and leads to a linear calibration curve for the concentrations over the tested range (10-80 μM). The plasmon shift following surface binding is calculated in terms of both plasmon peak location and hue, with the latter allowing faster data elaboration and real-time display of the results. The presented T-LSPR system shows for the first time label-free direct detection and quantification of a small molecule in the complex matrix of filtered undiluted blood serum. Its uncomplicated construction and compact size, together with the remarkable performances, represent a leap forward toward effective point-of-care devices for therapeutic drug concentration monitoring.

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.

Detection of methotrexate using surface plasmon resonance biosensors for chemotherapy monitoring

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique.

Optical Antennas for Biosensing Applications

The aim of the thesis is to theoretically investigate optical/plasmonic antennas for biosensing applications. The full 3-D numerical electromagnetic simulations have been performed by using finite integration technique (FIT). The electromagnetic properties of surface plasmon polaritons (SPPs) and the localized surface plasmons (LSPs) based devices are studied for sensing purpose. The surface plasmon resonance (SPR) biosensors offer high refractive index sensitivity at a fixed wavelength but are not enough for the detection of low concentrations of molecules. It has been demonstrated that the sensitivity of SPR sensors can be increased by employing the transverse magneto-optic Kerr effect (TMOKE) in combination with SPPs. The sensor based on the phenomena of TMOKE and SPPs are known as magneto-optic SPR (MOSPR) sensors. The optimized MOSPR sensor is analyzed which provides 8 times higher sensitivity than the SPR sensor, which will be able to detect lower concentration of molecules. But, the range of the refractive index detection is limited, due to the rapid decay of the amplitude of the MOSPR-signal with the increase of the refractive indices. Whereas, LSPs based sensors can detect lower concentrations of molecules, but their sensitivity is small at a fixed wavelength. Therefore, another device configuration known as perfect plasmonic absorber (PPA) is investigated which is based on the phenomena of metal-insulator-metal (MIM) waveguide. The PPA consists of a periodic array of gold nanoparticles and a thick gold film separated by a dielectric spacer. The electromagnetic modes of the PPA system are analyzed for sensing purpose. The second order mode of the PPA at a fixed wavelength has been proposed for the first time for biosensing applications. The PPA based sensor combines the properties of the LSPR sensor and the SPR sensor, for example, it illustrates increment in sensitivity of the LSPR sensor comparable to the SPR and can detect lower concentration of molecules due to the presence of nanoparticles.

Efeitos da administração epidural de amitraz, xilazina ou dimetil sulfóxido em vacas

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Growth of silver nano-particle embedded in tellurite glass: Interaction between localized surface plasmon resonance and Er3+ ions

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Localized surface plasmon resonance interaction with Er3+-doped tellurite glass

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Study of Er3+ fluorescence on tellurite glasses containing Ag nanoparticles

Optical characteristics of tellurite glasses containing silver nanoparticles (NPs) and the influence on the emission spectrum of Er 3+ ions were studied. The transitions 4f ↔ 4f from erbium ions, mainly the 4I13/2 → 4I15/2 transition that involve upconversion energy process, have a strongly dependence with the chemical structure of the rare earth ion. In the present work, silver nanparticles (NPs) embedded in the host vitreous material, show a significant enhance (or quenching) on the erbium fluorescence due the long-range electromagnetic interaction between the plasmon surface energy of the Ag NPs (Localized Surface Plasmon Resonance -LSPR) and the Er3+ ions.