Opening Meeting November 11 2009

Presentazione Progetto PLATFORMS - 5 novembre 2009 - Archivio Antico Università di Padova

PLAsmonic nano-Textured materials and architectures PLAsmonic nano-Textured materials and architectures FOR enhanced Molecular Sensing FOR enhanced Molecular Sensing

Architetture e materiali nano-strutturati per rilevazione Architetture e materiali nano-strutturati per rilevazione plasmonica ad alta sensibilità di molecole plasmonica ad alta sensibilità di molecole


Obiettivi strategiciObiettivi strategici

creazione di un polo patavino per la nanofabbricazione di sensori plasmonici, in grado di attrarre investimenti e promuovere iniziative a livello internazionale;

sviluppo di tematiche nanotecnologiche multidisciplinari;

formazione e inserimento di giovani ricercatori in un percorso di eccellenza nel settore dei sensori plasmonici;

avvio di iniziative per il trasferimento tecnologico dall’accademia all’industria.


Il ProgettoIl ProgettoL’attenzione si focalizza sulla sensoristica nei due importanti settori:

a) della rilevazione di specie biologiche (identificazione qualitativa e quantitativa in matrici complesse per la diagnosi di malattie);

b) del controllo dell’inquinamento atmosferico (rilevazione e misurazione di gas inquinanti e composti organici volatili, VOC).

I maggiori problemi nei sistemi di rilevazione attuali sono i limiti di sensibilità e selettività. Obiettivo generale di PLATFORMS è superare tali limiti sfruttando le speciali proprietà delle nanostrutture plasmoniche in associazione con le più avanzate tecniche di funzionalizzazione superficiale e di rilevazione del segnale.


Un plasmone-polaritone di superficie (SPP) è un’onda elettromagnetica che si propaga assieme all’oscillazione di carica all’interfaccia di un sistema metallo/dielettrico, generato dalla luce incidente.

Il termine “plasmonica” è stato coniato nel 2000 da Harry Atwater del Caltech per definire la disciplina che studia il fenomeno dei plasmoni di superficie, scoperti 20 anni prima.

Metal

Glass

- + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - +

|Ez|


I plasmoni di superficie danno luogo a una forte concentrazione della luce su scala inferiore alla sua lunghezza d'onda.

Strutture organizzate di dimensioni nanometriche possono sfruttare questo fenomeno di localizzazione spaziale per la generazione di “hot spots”, cioè regioni ad elevata concentrazione del campo elettromagnetico.

Nanostrutture plasmonicheNanostrutture plasmoniche ~ 464 nm 60 nm

Hot-spotsHot-spots


Un aspetto fondamentale è la capacità di decorare in modo specifico gli “hot-spots” e di far avvenire su di essi gli eventi di aggancio chimico.

La rivelazione mediante SPP si basa quindi sulla capacità di:

1) eccitare le risonanze di SPP e realizzare “hot-spot” su scala inferiore alla lunghezza d'onda della radiazione;

2) decorare gli “hot-spot” con sonde opportune ed indirizzare gli analiti su di esse;

3) sfruttare le configurazioni ottiche plasmoniche per la rivelazione quantitativa e selettiva degli eventi di legame e reazione.


Metodiche di auto-assemblggio

Caratterizzazione

Sviluppo dei materiali

Bio-Funzionalizzazione

Nanofabbricazione

Modellizzazione

Implementazione

Cosa serve? Cosa serve?

5 nm

Electron beam Lithography system Gold surface DNA functionalization

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Exten

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Plasm

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cal plasm

om

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OUTPUTSBio-sensing systemGas-sensing system

Co

nverg

ent p

lasmo

mo

ns


Obiettivi scientifici e tecnologiciObiettivi scientifici e tecnologici

Studio degli aspetti fondamentali e realizzativi.

Dimostrazione della validità scientifica e delle possibilità applicative

Studio e sviluppo di tre diverse Architetture Nano-Strutturate (NSA):LocalizzateConvergentiEstese

Metodiche di auto-assemblggio

Caratterizzazione

Sviluppo dei materiali

Bio-Funzionalizzazione

Nanofabbricazione

Modellizzazione

Implementazione

Exten

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OUTPUTSBio-sensing systemGas-sensing system

Co

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“prove di concetto”


NSA estese

strutture sinusoidali plasmoniche (SPG) immerse in una matrice sol-gel funzionale porosa, fotosensibile e ospitante molecole organiche o nano particelle.

Lo strato metallico sarà in contatto con l’ambiente attraverso il film sol-gel che agirà da elemento sensibile, variando il suo indice di rifrazione in seguito all’interazione con l’analita.

Si sfrutterà l’aumento della sensibilità dovuto all’integrazione del segnale su tutta la lunghezza di propagazione.


Lo scopo di questa NSA è la rivelazione di gas a concentrazioni estremamente basse.

Il requisito alla base dell'applicazione è la simmetria della struttura: l‘indice di rifrazione dei due strati sopra e sotto il reticolo plasmonico deve essere il più possibile uguale per consentire una propagazione del plasmone più lunga possibile.

L'idea è di inglobare il SPG in una matrice permeabile ai gas. Il film sopra al SPG fungerebbe così da elemento sensibile, mentre il SPG si comporterebbe come una guida d'onda.


NSA convergenti

MDMM con matrice di nanobuchi per sfruttare la trasmissione straordinaria (EOTR) di luce attraverso i buchi e/o l’indice di rifrazione negativo (NIM), per la realizzazione di bio-sensori.

Hot-spot specificatamente decorati con segmenti di DNA o PNA e modulati dalle reazioni del bio-analita.


La decorazione biochimica degli hot-spot e l'avvenire della reazione di legame biospecifico esattamente nel sito di focalizzazione del campo permetterà di ottenere un segnale specifico non rumoroso.


NSA localizzate

Matrici 2D di nanoparticelle (NP) di Au/Ag con dimensioni e separazione che varieranno da pochi nm ad 1 µm.

Generazione di hot-spot intensi sulla superficie delle NP, decorate con sonde biologiche, e un aumento dell’efficienza di emissione quantica di fluorofori attivi accoppiati alle NP.

Obiettivo delle NSA Localizzate è lo sviluppo di matrici di hot-spots (NPA) per la rilevazione di specie biologiche e gassose sfruttando le notevoli amplificazioni di campo locale alla superficie delle NP (es. SERS, SHG, SFVS).


Sviluppo di un approccio ibrido bottom-up/top-down a seconda della scala della distanza A tra le NP e della dimensione D delle stesse.

NPA formati da NP aventi una struttura core-shell (Silice-Au).

Deposizione assistita da maschera auto-assemblata di nanosfere o litografia elettronica per la produzione, mediante sputtering di NP di Au o Ag a forma triangolare

Realizzazione mediante impianto ionico di NP sferiche e sepolte a pochi nm dalla superficie del substrato.


Organizzazione del lavoroOrganizzazione del lavoro

4 Unità Operative(Gestione amministrativa)

9 gruppi di ricerca, 5 Dipartimenti, 2 strutture esterne, 37 persone

7 WP(attività

scientifiche)

3 NSA(obiettivi scientifici specifici)


Organizzazione del lavoro: WPOrganizzazione del lavoro: WP


modelling

Material engineering

Nano-fabrication

Bio-functionalization


Unità Operative (UO) e personale Unità Operative (UO) e personale coinvoltocoinvolto

UO1 ENGUO1 ENG

UO2 BIOUO2 BIO

UO3 CHEMUO3 CHEM

UO4 PHYSUO4 PHYS

AttualmenteAttualmente

13 docenti e ricercatori13 docenti e ricercatori

7 post-doc7 post-doc

14 dottorandi14 dottorandi

3 ricercatori CIVEN3 ricercatori CIVEN

Nel corso del progettoNel corso del progetto5 borse di dottorato5 borse di dottorato72 mesi di assegni di ricerca72 mesi di assegni di ricerca56 mesi di contratti d’opera56 mesi di contratti d’opera


UO1 ENG: Personale coinvoltoUO1 ENG: Personale coinvolto

Dipartimento di Ingegneria Meccanica –Settore Dipartimento di Ingegneria Meccanica –Settore MaterialiMateriali

Massimo Guglielmi (coordinatore UO e Progetto)Massimo Guglielmi (coordinatore UO e Progetto)

Giovanna BrusatinGiovanna Brusatin

Alessandro MartucciAlessandro Martucci

Anna Pistore Laura Brigo Enrico Della Gaspera


UO1 ENG: AbilitàUO1 ENG: AbilitàSintesi sol-gel e caratterizzazione di materiali inorganici e ibridi organico-inorganici.

Sintesi di nanoparticelle (metalli, ossidi e semiconduttori) e di strutture core-shell NP) sintesi di

Sintesi di materiali nanocompositi.

Deposizione di film sottili da soluzione.


UO1 ENG: RuoloUO1 ENG: RuoloSintesi e caratterizzazione di materiali per lo Sintesi e caratterizzazione di materiali per lo sviluppo delle NSA estese, patternabili e sviluppo delle NSA estese, patternabili e sensibili ai gas da rilevare.sensibili ai gas da rilevare.

Sintesi di resist ibridi organico-inorganici per la Sintesi di resist ibridi organico-inorganici per la nanofabbricazione.nanofabbricazione.

Sintesi di quantum dots per il biolabelling.Sintesi di quantum dots per il biolabelling.

Misure di sensibilità ai gas.Misure di sensibilità ai gas.


UO2 BIO: Personale coinvoltoUO2 BIO: Personale coinvoltoDipartimento di Chimica Farmaceutica: Margherita Morpurgo (coordinatore UO), Mauro Pignatto

Dipartimento di Processi Chimici dell’Ingegneria: Monica Dettin, Andrea Bagno

Bio-facilities di CIVEN:

Erica Cretaio, Anna Meneghello


UO2 BIO: AbilitàUO2 BIO: Abilità

Coniugazione chimica polimero-biomolecola, identificazione degli eventi di bioriconoscimento, bioderivatizzazione di superficie.

Sintesi di peptidi e PNA in fase solida.

Sviluppo di microarrays di DNA.


UO2 BIO: RuoloUO2 BIO: Ruolo

Fornire le molecole (sonde) che, una volta ancorate sulle Fornire le molecole (sonde) che, una volta ancorate sulle superfici nanostrutturate, fungeranno da elementi di superfici nanostrutturate, fungeranno da elementi di cattura e riconoscimento degli analiti.cattura e riconoscimento degli analiti.

Identificare strategie di superficie per migliorare la Identificare strategie di superficie per migliorare la sensibilità.sensibilità.

Studiare e mettere a punto nuove strategie in grado di Studiare e mettere a punto nuove strategie in grado di amplificare il segnale post-riconoscimento. amplificare il segnale post-riconoscimento.


UO3 CHEM: Personale coinvoltoUO3 CHEM: Personale coinvolto

Dipartimento di Scienze Chimiche: Dipartimento di Scienze Chimiche:

Gaetano Granozzi (Gruppo Surface Science, Gaetano Granozzi (Gruppo Surface Science, coordinatore UO)coordinatore UO)

Raffaella Signorini (Gruppo Spettroscopie Raffaella Signorini (Gruppo Spettroscopie Ottiche)Ottiche)

CIVEN: Piero SchiavutaCIVEN: Piero Schiavuta

G. Andrea RizziGiuseppe GiallongoLuca Artiglia


UO3 CHEM: AbilitàUO3 CHEM: Abilità

deposizione di film sottili e nano strutture;sintesi di nanoparticelle metalliche attraverso metodi di wet-chemistry;caratterizzazione strutturale in situ; caratterizzazione chimica in situ;caratterizzazione ottica lineare e non-lineare di diversi cromofori, NPs e materiali in soluzione ed allo stato solido mediante l'uso di CW e di laser veloci ed ultraveloci.


UO3 CHEM: RuoloUO3 CHEM: Ruolo

Preparazione e caratterizzazione di array di NPs Preparazione e caratterizzazione di array di NPs metalliche autoassemblate su superficie. metalliche autoassemblate su superficie.

Preparazione per via umida e caratterizzazione Preparazione per via umida e caratterizzazione ottica di NPs core-shell.ottica di NPs core-shell.

Caratterizzazione ottica, strutturale e chimica Caratterizzazione ottica, strutturale e chimica delle NSA. delle NSA.



UO4 PHYS: Personale coinvoltoUO4 PHYS: Personale coinvolto

Dipartimento di Fisica Dipartimento di Fisica

Filippo Romanato (coordinatore UO e direttore Filippo Romanato (coordinatore UO e direttore LaNN)LaNN)

Pierfrancesco ZilioMarta Carli

G. Ruffato

M. MassariG. Zacco G. Parisi

D. GaroliT. Ongarello

D. Sammito

E. Gazzola P. ZilioM. Carli



UO4 PHYS: Personale coinvoltoUO4 PHYS: Personale coinvolto

Dipartimento di Fisica Dipartimento di Fisica

Filippo Romanato (coordinatore UO e direttore Filippo Romanato (coordinatore UO e direttore LaNN)LaNN)

Paolo Mazzoldi, Giovanni MatteiPaolo Mazzoldi, Giovanni Mattei

Pierfrancesco ZilioMarta Carli

P. Mazzoldi G. Mattei T. Cesca G. Perotto V. Bello G. Pellegrini


UO4 PHYS: AbilitàUO4 PHYS: Abilità

Nanofabbricazione con tecniche litografiche e di imprinting.

Sintesi tramite impianto ionico e/o sputtering di tipologie innovative (core-shell, nanoplanets) di nanoaggregati di metalli nobili per applicazioni di nanofotonica, plasmonica e rivelazione di gas.

Caratterizzazione e modellizzazione di nanostrutture plasmoniche.



UO4 PHYS: RuoloUO4 PHYS: Ruolo

Modellizzazione e design delle NSA.Modellizzazione e design delle NSA.

Nanofabbricazione con tecniche litografiche, di Nanofabbricazione con tecniche litografiche, di imprinting e di auto-assemblaggio dei sensoriimprinting e di auto-assemblaggio dei sensori

Caratterizzazione ottica e strutturale delle strutture Caratterizzazione ottica e strutturale delle strutture plasmoniche.plasmoniche.

Prototipizzazione dei bio-sensori plasmoniciPrototipizzazione dei bio-sensori plasmonici



Fisici , ingegneri , Fisici , ingegneri , chimici e biologi si chimici e biologi si dedicheranno alla dedicheranno alla ricerca ricerca interdisciplinare per la interdisciplinare per la realizzazione di realizzazione di nanodispositivinanodispositivi

Laboratorio per la Nanofabbricazione e la ricerca su Nanodispositivi

Il LaNN - sarà focalizzato sullo sviluppo Il LaNN - sarà focalizzato sullo sviluppo delle tecnologie di nanolitografia e di delle tecnologie di nanolitografia e di nano fabbricazione.nano fabbricazione.


35

Electron Beam LithographyElectron Beam Lithography

6 nm


Le promesse della nanotecnologiaLe promesse della nanotecnologiaper i biosensori per i biosensori

Alta sensibilita’ Alta sensibilita’

Specificita’Specificita’

AccuratezzaAccuratezza

MiniaturizzazioneMiniaturizzazione

Analisi in tempo reale e in-situAnalisi in tempo reale e in-situ

Analisi in vivoAnalisi in vivo

Analisi parallele – micro array Analisi parallele – micro array

Lab-on-chip



Il nostro Lab-on-chip Il nostro Lab-on-chip Surface Plasmon Polariton biosensor

Half monolayer sensitivity!

10 times better of the state of the art


NANOSPETTROFOTOMETRO e BIOANALIZZATORE

STAZIONE IBRIDAZIONEe LAVAGGIO

MICROARRAY SCANNER

MICROARRAYSPOTTER

PCR eREAL TIME PCR

Facility per la costruzione di microarrayFacility per la costruzione di microarray


Misure di microscopia in campo prossimo Misure di microscopia in campo prossimo (SNOM)(SNOM)

AFM / SNOM contact and AC mode

Confocal, -Raman, fluorescence

Raman mapping, fast Raman imaging

Reflection and Transmission mode

Detectors: 2 PMT, APD, CCD

200m x 200m x 20m piezoelectric stage

Laser Sources: Ar ion and HeNe

Sistema per microscopia ottica per misure in modalità confocale o campo prossimo (SNOM-Scanning near-field optical microscopy) per superare il limite di diffrazzione ed

effettuare esperimenti sub-.

Studio della distribuzione del campo EM nelle strutture plasmoniche.

Studio dell’efficienza di rivelazione delle specie molecolari ancorate alle strutture plasmoniche funzionalizzate.

Accoppiamento con diverse tecniche di misura (ellissometria, riflettometria, spettroscopia -Raman).

Realizzazione dell’EllipSNOM


Attività formativeAttività formative

Collegamento con la Scuola di Dottorato in Scienza e Ingegneria dei Materiali (SIM).

Organizzazione di una Scuola avanzata per dottorandi sulle tematiche relative alla plasmonica su argomenti di rilevanza per il progetto.

Organizzazione di workshop tematici della durata di mezza giornata, relativi agli aspetti specifici del progetto.

-Stage di ricerca presso la NanoFab facility di Marghera.


Informazione e disseminazioneInformazione e disseminazione

Sito web (di prossima attivazione all’indirizzo

www.platforms.dim.unipd.it)

Seminari scientifici

Workshops

Meeting informativi (a metà ed alla fine del

periodo)

Pubblicazioni scientifiche e brevetti


Utilizzo delle risorse: voci di spesaUtilizzo delle risorse: voci di spesa

Servizi esterni8%

Missioni3%

Materiale di consumo

17%

Personale39%

Materiale inventariabile

32%


Distribuzione delle risorse tra UODistribuzione delle risorse tra UO

U.O.4; 33%

U.O.1; 19%

U.O.2; 21%

U.O.3; 27%


Ricadute atteseRicadute atteseSviluppo di sistemi sensori di elevatissima sensibilità e selettività, con potenziale impatto sociale elevato.

Formazione di giovani ricercatori in settori strategici della ricerca e dello sviluppo.

Organizzazione ed utilizzo ottimale delle risorse (umane, di strumentazione e di conoscenza) disponibili presso l'Ateneo di Padova.

Potenziamento del settore delle Nanoscienze e Nanotecnologie, coerentemente con le linee programmatiche di sviluppo dell'Università di Padova e della Regione Veneto.


Contatti nazionali ed internazionaliContatti nazionali ed internazionali

L'allargamento della rete locale in una rete di collaborazioni più vasta, sia a livello nazionale che internazionale, è tra gli obiettivi strategici del progetto PLATFORMS.

Esistono già molti e consolidati contatti e collaborazioni dei partners con gruppi di ricerca nel mondo, attivati in ciascun specifico settore di competenza.

Relazioni molto intense esistono con il Distretto Veneto per le Nanotecnologie (Veneto Nanotech), che si rafforzeranno ulteriormente grazie alla partecipazione al progetto di personale proveniente da queste strutture.


ConclusioniConclusioni

PLATFORMS è un Progetto Strategico PLATFORMS è un Progetto Strategico perché:perché: fortemente interdisciplinare; fortemente interdisciplinare; genera un rete estesa e sinergica di genera un rete estesa e sinergica di

interazioni in Ateneo;interazioni in Ateneo; sviluppa conoscenze in un ambito scientifico sviluppa conoscenze in un ambito scientifico

innovativo;innovativo; Sviluppa abilità in un settore strategico per il Sviluppa abilità in un settore strategico per il

territorio.territorio.


Grazie per l’attenzione …

ed arrivederci alla presentazione dei risultati di medio termine, tra un anno e mezzo.

Opening Meeting November 11 2009

Technology

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