Amplificazione plasmonica di fluorescenza su nanostrutture plasmoniche bidimensionali. Plasmon-enhanced fluorescence on 2D plasmonic nanostructures

Plasmon-Enhanced Fluorescence (PEF) is a particular phenomenon involving the interaction of fluorescence with surface plasmons, both propagating and localized. Namely, it concerns the modification of excitation and absorption mechanisms of fluorescent molecules in the vicinity of metal-nanostructured surfaces. This quite complex and theoretically still not completely solved effect can produce large enhancement of the fluorescence signal, if some conditions are matched. In fact, PEF has shown very promising results in the improvement and development of fluorescence-based biosensors. The aim of our work was to investigate PEF on 2D metallic gratings obtained by colloidal lithography, constituted by a hexagonal array of cylindrical-shaped holes embedded in a gold matrix, deposited onto a glass substrate. Given the 2D periodicity of the plasmonic grating, we were able to map the dispersion of the surface plasmon polaritons at the different interfaces of the system through angle-resolved reflectance and transmittance measurements performed with an FT-IR spectrophotometer. Even if the measurements show a polycrystalline nature of the samples, supported by scanning electon-microscope images, it was possible to recover the angular dependence of the plasmonic modes. In addition, sided FDTD simulations of the structure that well reproduce the behavior of the experimental spectra allowed to recover the electric field profiles, in particular close to the grating surface, which is the desired location for the fluorescent molecule in the PEF process. The simulations show that a field enhancement occurs in two spectral regions, in correspondence of the main plasmonic resonances. Moreover, since the largest part of the PEF experiments are performed in water environments, we developed our analysis both in air and in water as interface mediums. The fluorescence measurements showed a clear enhancement of the signal collected from the plasmonic grating with respect to a standard glass substrate. The enhancement occurs collecting light both from the grating surface and the sample substrate. Changing the medium from air to water, a spectral shift of the emission spectra is visible on the grating but not on the glass reference. A dependence of the emission of the numerical aperture of the collecting objective is observed, as to say a dependence exists on the angle of emission. On the other side, the photoluminescence spectra collected in the water environment enlighted a non trivial behavior, that needs a more detailed analysis of the angular dependence of the emission and further confirmations of the enhancement effects for the different spectral regions.

La fluorescenza di una molecola in prossimità di una superficie metallica può subire diversi effetti dovuti all'interazione tra il meccanismo stesso di fotoluminescenza e i modi plasmonici del sistema metallico. In generale, se sono rispettate delle condizioni precise, può verificarsi l'amplificazione del segnale di fluorescenza, dando origine a una vasta gamma di fenomeni che vanno sotto il nome di Plasmon-Enhanced Fluorescence (PEF). Difatti, lo studio della PEF e l’ottimizzazione delle strutture plasmoniche per amplificare tale effetto hanno mostrato risultati promettenti nello sviluppo di biosensori basati sulla detezione del segnale di fluorescenza. Il lavoro di tesi si è concentrato sullo studio dell’interazione tra la fluorescenza di molecole selezionate e i modi plasmonici di un reticolo metallico bidimensionale. I campioni studiati sono costituiti da un reticolo esagonale di fori cilindrici in una matrice d’oro realizzati su un substrato di vetro tramite litografia colloidale. Grazie alla periodicità del reticolo, che rilassa le condizioni di conservazione di vettore d'onda e consente in tale modo di eccitare direttamente i modi plasmonici del sistema, è stato possibile misurarne la dispersione sulle diverse interfacce presenti nel campione tramite misure di riflessione e trasmissione risolte in angolo, acquisite con uno spettrofotometro a trasformata di Fourier. Sebbene le immagini fornite tramite microscopia elettronica a scansione mostrino una natura policristallina dei campioni fabbricati, è stato in ogni caso possibile ottenere in maniera soddisfacente la dipendenza angolare dei modi plasmonici del reticolo. Con l'utilizzo di simulazioni numeriche di finite difference time domain, è stato possibile riprodurre in maniera soddisfacente l'andamento degli spettri ottenuti sperimentalmente. Inoltre, queste ultime hanno fornito i profili di campo elettrico in prossimità della superficie del reticolo, che costituisce la localizzazione preferenziale della molecola fluorescente per sperimentare il fenomeno di PEF. I risultati delle simulazioni hanno evidenziato la presenza di amplificazione del campo elettrico in due zone spettrali distinte, in corrispondenza delle risonanze plasmoniche del sistema. In aggiunta, dal momento che la grande maggioranza degli esperimenti dei fenomeni riguardanti la PEF sono svolti in ambiente acquoso, il lavoro di tesi ha previsto l'utilizzo di aria ed acqua come mezzi di interfaccia confinanti con il reticolo plasmonico. Le misure effettuate sul reticolo hanno evidenziato una chiara amplificazione del segnale di fluorescenza rispetto a quello ottenuto su un substrato di riferimento di vetro standard. Tale amplificazione è stata osservata raccogliendo il segnale di fluorescenza eccitando sia dalla superficie del reticolo che dal substrato di vetro del campione. In aggiunta, il segnale di fluorescenza emesso dal campione in ambiente acquoso ha presentato uno spostamento spettrale, a differenza di quello misurato sul substrato di vetro. In entrambi i mezzi è stata osservata una dipendenza angolare dell'emissione ottenuta variando l'apertura numerica degli obiettivi di raccolta dello strumento. Tuttavia, dal momento che le misure in acqua hanno evidenziato un comportamento singolare del segnale di fluorescenza non direttamente riconducibile ai risultati ottenuti tramite simulazioni, risultano necessari un approfondimento dello studio della dipendenza angolare dell'emissione e ulteriori misure per confermare l'effetto di amplificazione nelle distinte regioni spettrali.