Towards Highly Sensitive and Multiplexed Nanoplasmonic Biosensors

Abstract

En esta tesis se ha abordado la caracterización de sensores LSPR refractométricos desde diferentes puntos de vista. En primer lugar, se presenta un análisis teórico y experimental de nanocápsulas cilíndricas (nanorods) de oro, comparando su capacidad sensora con sensores SPP convencionales. El estudio ha conducido al hallagzo de una región espectral con rendimiento sensor optimizado, y a la que se puede acceder llevando a cabo un diseño preciso y detallado de las nanoestructuras. Por otro lado, el análisis desvela un rendimiento superior de los LSPR comparado con los convencionales SPP, con atisbos de mejoras adicionales si se superan ciertos inconvenientes inherentes a estas plataformas biosensoras. De cara a identificar y suprimir estos inconvenientes, se han empleado matrices de nanodiscos de oro como nanoestructura modelo. En primer lugar, se han analizado las influencias negativas que se derivan de las finas capas metálicas de adhesión y de los altos índices de refracción del sustrato que soporta a los nanodiscos. Se ha demostrado que la elección adecuada del material y del espesor de estas capas de adhesión mejora significativamente la relación señal-ruido. Además, mediante la colocación de los nanodiscos sobre nanopilares dieléctricos, alejándolos del sustrato, se han obtenido incrementos significativos de sensibilidad, proporcionando así una estrategia que se puede extender fácilmente a otros sistemas plasmónicos. Se ha demostrado, por otro lado, que estas matrices de nanodiscos soportan un modo guiado, que, además de otras aplicaciones nanofotónicas interesantes, provoca un cambio en la radiación en campo lejano de estas estructuras que causa mejoras en sensibilidad y en la relación señal-ruido. Por último, se han combinado todos los conocimientos adqueridos y resultados obtenidos para esbozar la creación de un biosensor LSPR con funciones de multiplexado y con microfluídica integrada.

In this dissertation, different aspects of refractometric nanoplasmonic sensors are discussed. First, a theoretical and experimental sensing performance assessment is made of Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) sensors based on single gold nanorods, by directly comparing them to conventional thin film Surface Plasmon Polariton (SPP) sensors. Besides the discovery of a material-specific optimized spectral sensing region that can be accessed via precise nanoparticle engineering, this work reveals a better biosensing performance for LSPR sensors that can be further improved if certain - inherent - drawbacks are overcome. For this, arrays of gold nanodisks are used to identify and suppress such drawbacks. First, negative influences that stem from thin metal adhesion layers and the high refractive indices of the supporting substrate are analyzed. It is shown that the right choice of material and thickness for these adhesion layers, significantly improves the signal-to-noise ratio (S/N)-values of these biosensors. Besides, by placing the nanodisks on nanopillars, thereby distancing them from the substrate, much higher sensitivities can be obtained, providing a strategy that can be easily expanded to other plasmonic systems. Next, it is demonstrated that the employed arrays of gold nanodisks support a guided mode that besides other interesting nanophotonics applications, alters the far-field radiation of these nanoplasmonic structures in such a manner, that both enhanced sensitivities and improved S/N-ratios are obtained. Finally, combining all gathered knowledge, a road map is sketched towards the creation of a LSPR sensor with multiplexing capabilities and integrated microfluidics.