Integrated Micro and Nano Systems for Photonic Detection in Liquids

The aim of this Ph.D. work was the study of functional materials and micro/nano structures for the realization of optical sensors for chemical or biological species in liquid media. The research was focused on two different areas of interest: biology and food industry. A disorder of zinc metabolism is closely associated with severe diseases, including diabetes. Functional and porous sol-gel films, doped with a fluorescent molecule, able to detect Zn2+ down to the nanomolar range were engineered. The systems allow to detect dynamic concentrations in time, showing selectivity overall other ions, stability provided by covalent binding of the fluorophore, and most relevantly reversibility. The second part of the dissertation is focused on the detection of residual antibiotics. The concern for food safety in milk industry has determined definition of residue levels of antibiotics in milk samples. Strong interest is evident in the development of high sensitivity optical sensors, giving reliable responses and allowing in situ multiple antibiotics detection. Two different plasmonic architectures for performing high-sensitive, selective and cost-effective detection of residual antibiotics in milk, and in particular of ampicillin, were developed. An SPR-based sensing strategy which consists in the combination of resonant optical and magnetic properties in a single nanostructure, and a plasmonic sinusoidal grating coupling supporting the propagation LRSPPs were studied. Selectivity is achieved by functionalization with specific aptamers. Even if further in-depth investigations are needed, this work has provided awareness and competence of the fabrication techniques and analytical instruments for characterization and use of the developed devices.

Lo scopo di questo lavoro è stato lo studio di materiali funzionali e strutture micro / nano per la realizzazione di sensori ottici per la rilevazione di specie chimiche o biologiche in mezzi liquidi. La ricerca è stata incentrata su due diverse aree di interesse: la biologia e l'industria alimentare. Un disturbo del metabolismo di zinco è strettamente associato a gravi malattie, tra cui il diabete. Film sol-gel funzionali e porosi, drogati con una molecola fluorescente, in grado di rilevare Zn2 + fino alla range del nanomolare sono stati ingegnerizzati. I sistemi permettono di rilevare le concentrazioni di ioni zinco dinamicamente nel tempo, mostrando selettività rispetto ad altri ioni, stabilità derivante dal legame covalente del fluoroforo con la matrice, e soprattutto reversibilità. La seconda parte della tesi è focalizzata sul rilevamento di antibiotici residui. La preoccupazione per la sicurezza alimentare nel settore del latte ha determinato la definizione dei livelli residui di antibiotici in campioni di latte. C'è un forte interesse nello sviluppo di sensori ad alta sensibilità ottica, che diano risposte affidabili e permettano il rilevamento di più antibiotici in situ. Due diverse architetture plasmoniche per il rilevamento ad alta sensibilità, selettività ed economicamente conveniente di antibiotici residui nel latte, ed in particolare di ampicillina, sono stati sviluppati. Sono state studiate una strategia basata su SPR che consiste nella combinazione di proprietà di risonanza ottica e magnetiche in un unica nanostruttura, e un grating sinusoidale plasmonico che supporta la propgazione LRSPPs. La selettività è il risultato di una funzionalizzazione con aptameri specifici. Anche se sono necessari ulteriori indagini, questo lavoro ha fornito la consapevolezza e la competenza delle tecniche di fabbricazione e degli strumenti analitici per la caratterizzazione e l'uso dei dispositivi sviluppati.