Design of nanostructured materials as substrates for sers detection

Résumé

El trabajo de investigación descrito en esta tesis doctoral se enmarca en el contexto de la espectroscopia de dispersión Raman aumentada por superficie (SERS). SERS es una técnica espectroscópica que combina la moderna espectroscopía láser con las propiedades ópticas (plasmones localizados) características de las nanoestructuras metálicas. Esta interacción láser-plasmón da como resultado un enorme aumento de la señal Raman proveniente de sistemas moleculares situados en la proximidad de dichas nanoestructuras. Este aumento puede llegar hasta 14 órdenes de magnitud respecto a la señal obtenida mediante dispersión Raman convencional. Debido a que el espectro obtenido es esencialmente un espectro de vibración y, por tanto, contiene toda la información del sistema molecular estudiado, la espectroscopia SERS es considerada como una potente técnica analítica que proporciona alta sensibilidad. Desde su descubrimiento en los años 70, SERS ha sido de gran interés en diversos campos como la física, química y biología. El campo de investigación relacionado no sólo abarca el mecanismo de aumento de SERS, también incluye sus aplicaciones como técnica analítica altamente sensible para quimio/bio detección. El aspecto más importante a la hora de llevar a cabo un experimento SERS es la elección y el uso de un sustrato adecuado. Se ha demostrado que los sustratos con "rugosidad" en la nanoescala, tales como electrodos, nanopartículas o superficies, pueden proporcionar aumento SERS. La forma, la composición, el tamaño y la distancia entre las nanoestructuras metálicas son factores críticos que influyen en la resonancia de plasmones superficiales (LSPR, localized surface plasmon resonance) y en particular, en los campos electromagnéticos generados en la superficie de la nanopartícula. Estos factores deben ser escogidos cuidadosamente para asegurar un fuerte aumento SERS y buena reproducibilidad de la señal Los metales nobles tales como el oro y la plata, son los materiales más utilizados como sustratos activos en SERS debido a que la resonancia de su plasmon de superficie localizado cae dentro del rango espectral del visible, donde se encuentran también la mayoría de los láseres más comunmente utilizados. Con el rápido desarrollo de la nanotecnología a mediados de los años 90, el control de la forma, el tamaño, la composición de las nanopartículas de Au y Ag ha llegado a una sofisticación tal que es posible sintetizar prácticamente cualquier forma. Como resultado, los coloides de Au y Ag se han convertido en los sustratos SERS más ampliamente utilizados. La tesis ha sido estructurada en cuatro capítulos. El capítulo 1 es una introducción general dónde se hace una breve descripción sobre la espectroscopía Raman y los temas relacionados, lo cual sirve como una base para introducir el SERS y los mecanismos que han sido propuestos para explicarlo. Las dos últimas secciones del capítulo están dedicadas a presentar diferentes tipos de sustratos utilizados en SERS así como sus ventajas y desventajas, y la aplicación de esta técnica en la detección directa de analitos. En los capítulos 2,3 y 4 se describen los resultados experimentales obtenidos durante esta tesis, relacionados con la elección, diseño y caracterización óptica y SERS de diferentes sustratos que presentan beneficios específicos hacia aplicaciones de detección de diferentes analitos. El capítulo 2 está dedicado a nanopartículas complejas que pueden ser utilizadas como sustratos para SERS. En este capítulo, tres diferentes sustratos, que consisten en nanopartículas de oro complejas, son caracterizados mediante SERS para demostrar el efecto de su particular morfología en su eficiencia optica. En el capítulo 3, se dedica a la caracterización de ensamblajes ordenados de nanopartículas y sus ventajas (e inconvenientes) respecto a las nanopartículas complejas. Por último, el capítulo 4 está dedicado a materiales híbridos en los cuales las nanopartículas son combinadas con materiales de soporte que añaden propiedades específicas al sustrato para detectar analitos que no pueden ser detectados con sustratos convencionales. Con todo esto, se espera que esta tesis doctoral represente un avance significativo hacia la fabricación de sustratos SERS y a la selección del sustrato más adecuado para cada experimento. Además algunos de los sustratos caracterizados en esta tesis han sido utilizados para detectar moléculas a baja concentración demostrando, por tanto, su aplicabilidad en detección. Los capítulos 2-4 han sido escritos siguiendo la misma estructura: introducción, sección experimental, resultados y discusión y conclusiones. Las referencias han sido incluidas al final de cada capítulo. U, finalmente, las conclusiones generales son resumidas en una sección aparte.