Fabrication of 2D colloidal crystals over large areas for biosensing

• Autores: Paola Pellacani
• Directores de la Tesis: Franco Marabelli (dir. tes.), Miguel Manso Silván (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2017
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Fernando Agulló de Rueda (presid.), José Luis Pau Vizcaino (secret.), Daniel Jaque García (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Materiales Avanzados y Nanotecnologías
• Materias:
  • Física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    Los dispositivos basados en la Resonancia de Plasmón Superficial se aplican extensamente como biosensores para identificar distintas biomoléculas de manera sensible, rápida, en tiempo real, libre de marcadores y/o con la posibilidad de multidetección. Actualmente, los desafíos al desarrollo de este tipo de dispositivos se encuentran en los altos costes de la instrumentación empleada, la limitada capacidad de conectar otras técnicas analíticas y una carencia de sensibilidad cuando se aplican a la detección de analitos muy diluidos o con pequeño peso molecular. Con el fin de vencer estos desafíos, se ha dirigido una extensa investigación al desarrollo de plataformas SPR avanzadas, basadas en materiales innovadores y métodos de fabricación que permiten una producción económica y masiva de grandes superficies nanoestructuradas, así como de dispositivos miniaturizados y de bajo coste.

    En este trabajo de tesis se ha llevado a cabo la optimización de un proceso para la producción de superficies plasmónicas sobre grandes áreas. La técnica de nanofabricación propuesta combina litografía coloidal y procesos plasma. En particular, hemos estudiado en detalle la formación de monocapas coloidales según el método Langmuir-Blodgett, sirviendo de máscaras para crear nanoestructuras en sustratos sólidos. El proceso implica un ataque plasma, la deposición de oro y la eliminación del residuo coloidal para obtener una superficie que consiste en cristales plasmónicos bidimensionales. Ajustando los parámetros del proceso es posible diseñar estructuras en materiales diferentes, controlando con precisión la relación de aspecto de la estructura final y, por consiguiente, la posición espectral de la respuesta óptica de acuerdo con el sistema de adquisición apropiado. La versatilidad de este método de fabricación ofrece gran potencial para un eficiente, fácil y masivo desarrollo de cavidades de oro con forma, diámetro y periodicidad controlables. Finalmente, se ha demostrado que estas superficies trabajan como plataformas eficaces en experimentos de SPR y SERS para una detección rápida, de tiempo real y sensible de distintos analitos protéicos (como la proteína pentraxin PTX3) y genómicos (como el gen del tumor de Wilms).

  • español

    Surface plasmon resonance (SPR)-devices are widely applied as biosensing platfoms to perform a potentially sensitive, rapid, real time, label free and/or multiplexed detection. As a drawback, this technology is often challenged by high instrumentation costs, poor interfacing capabilities with other analytical techniques and a lack of sensitivity when applied to direct detection of highly diluted targets or analytes of small molecular weight. In order to overcome these challenges, an extensive research has addressed the development of advanced SPR platforms based on innovative nanomaterials and fabrication methods, enabling a low cost and massive production of large area nanostructured surfaces, as well as affordable miniaturized detection devices.

    In this thesis we report the optimization of a protocol for the production of large area plasmonic surfaces. The proposed nanofabrication technique combines colloidal lithography and plasma processes. In particular, we deeply studied the Langmuir-Blodgett formation of colloidal monolayers, acting as efficient etching masks when transferred on solid substrates. The sequential etching process, gold deposition and particle lift off allowed obtaining a surface made of 2D plasmonic crystals. By adjusting the process parameters it is possible to nanostructure different materials, leading to a fine tuning of the final structure aspect ratio and, consequently, of the spectral position of the optical response according to a proper acquisition setup. The versatility of this fabrication method shows great potential for easy and massive parallel fabrication of gold cavity arrays with a tailorable shape, diameter and periodicity. These surfaces have been proved to work as sensitive platforms in SPR and SERS experiments for a fast, real time and multiplexing detection of proteomic (long pentraxin PTX3) and genomic (Wilms tumor gene) biomarkers.