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Opening Meeting November 11 2009

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

PLAsmonic nano-Textured materials and architectures FOR enhanced Molecular Sensing  .
Architetture e materiali nano-strutturati per rilevazione plasmonica ad alta sensibilità di molecole 

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  • La promessa della nanotecnologia Lab on-chip Figura con le dita della mano
  • La promessa della nanotecnologia Lab on-chip Figura con le dita della mano
  • Transcript

    • 1. PLAsmonic nano-Textured materials and architectures FOR enhanced Molecular Sensing  Architetture e materiali nano-strutturati per rilevazione plasmonica ad alta sensibilità di molecole 
    • 2. Obiettivi 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.
    • 3. Il Progetto
      • L’attenzione si focalizza sulla sensoristica nei due importanti settori:
      • della rilevazione di specie biologiche (identificazione qualitativa e quantitativa in matrici complesse per la diagnosi di malattie);
      • 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 .
    • 4. 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|
    • 5. 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 plasmoniche  ~ 464 nm Hot-spots 60 nm
    • 6.
      • 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:
      • 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.
    • 7. Cosa serve? Metodiche di auto-assemblggio Caratterizzazione Sviluppo dei materiali Bio-Funzionalizzazione Nanofabbricazione Modellizzazione Implementazione 5 nm Electron beam Lithography system Gold surface DNA functionalization Extended Plasmons Local plasmomons OUTPUTS Bio-sensing system Gas-sensing system Convergent plasmomons
    • 8. Obiettivi 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): Localizzate Convergenti Estese Metodiche di auto-assemblggio Caratterizzazione Sviluppo dei materiali Bio-Funzionalizzazione Nanofabbricazione Modellizzazione Implementazione “ prove di concetto” Extended Plasmons Local plasmomons OUTPUTS Bio-sensing system Gas-sensing system Convergent plasmomons
    • 9. 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 .
    • 10. 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.
    • 11. 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.
    • 12. 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.
    • 13. 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).
    • 14. 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.
    • 15. Organizzazione 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)
    • 16. Organizzazione del lavoro: WP
    • 17.  
    • 18. modelling Material engineering Nano-fabrication Bio-functionalization
    • 19.  
    • 20. Unità Operative (UO) e personale coinvolto
      • UO1 ENG
      • UO2 BIO
      • UO3 CHEM
      • UO4 PHYS
      • Attualmente
      • 13 docenti e ricercatori
      • 7 post-doc
      • 14 dottorandi
      • 3 ricercatori CIVEN
      • Nel corso del progetto
      • 5 borse di dottorato
      • 72 mesi di assegni di ricerca
      • 56 mesi di contratti d’opera
    • 21. UO1 ENG: Personale coinvolto
      • Dipartimento di Ingegneria Meccanica –Settore Materiali
      • Massimo Guglielmi (coordinatore UO e Progetto)
      • Giovanna Brusatin
      • Alessandro Martucci
      Anna Pistore Laura Brigo Enrico Della Gaspera
    • 22. UO1 ENG: Abilità
      • Sintesi 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.
    • 23. UO1 ENG: Ruolo
      • Sintesi e caratterizzazione di materiali per lo sviluppo delle NSA estese, patternabili e sensibili ai gas da rilevare.
      • Sintesi di resist ibridi organico-inorganici per la nanofabbricazione.
      • Sintesi di quantum dots per il biolabelling.
      • Misure di sensibilità ai gas.
    • 24. UO2 BIO: Personale coinvolto
      • Dipartimento 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
    • 25. UO2 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.
    • 26. UO2 BIO: Ruolo
      • Fornire le molecole (sonde) che, una volta ancorate sulle superfici nanostrutturate, fungeranno da elementi di cattura e riconoscimento degli analiti.
      • Identificare strategie di superficie per migliorare la sensibilità.
      • Studiare e mettere a punto nuove strategie in grado di amplificare il segnale post-riconoscimento.
    • 27. UO3 CHEM: Personale coinvolto
      • Dipartimento di Scienze Chimiche:
      • Gaetano Granozzi (Gruppo Surface Science, coordinatore UO)
      • Raffaella Signorini (Gruppo Spettroscopie Ottiche)
      • CIVEN: Piero Schiavuta
      G. Andrea Rizzi Giuseppe Giallongo Luca Artiglia
    • 28. UO3 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.
    • 29. UO3 CHEM: Ruolo
      • Preparazione e caratterizzazione di array di NPs metalliche autoassemblate su superficie.
      • Preparazione per via umida e caratterizzazione ottica di NPs core-shell.
      • Caratterizzazione ottica, strutturale e chimica delle NSA.
    • 30. UO4 PHYS: Personale coinvolto
      • Dipartimento di Fisica
      • Filippo Romanato (coordinatore UO e direttore LaNN)
      Presentazione Progetto PLATFORMS - 5 novembre 2009 - Archivio Antico Università di Padova Pierfrancesco Zilio Marta Carli G. Ruffato M. Massari G. Zacco G. Parisi D. Garoli T. Ongarello D. Sammito E. Gazzola P. Zilio M. Carli
    • 31. UO4 PHYS: Personale coinvolto
      • Dipartimento di Fisica
      • Filippo Romanato (coordinatore UO e direttore LaNN)
      • Paolo Mazzoldi, Giovanni Mattei
      Presentazione Progetto PLATFORMS - 5 novembre 2009 - Archivio Antico Università di Padova Pierfrancesco Zilio Marta Carli P. Mazzoldi G. Mattei T. Cesca G. Perotto V. Bello G. Pellegrini
    • 32. UO4 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.
    • 33. UO4 PHYS: Ruolo
      • Modellizzazione e design delle NSA.
      • Nanofabbricazione con tecniche litografiche, di imprinting e di auto-assemblaggio dei sensori
      • Caratterizzazione ottica e strutturale delle strutture plasmoniche.
      • Prototipizzazione dei bio-sensori plasmonici
      Presentazione Progetto PLATFORMS - 5 novembre 2009 - Archivio Antico Università di Padova
    • 34.
      • Fisici , ingegneri , chimici e biologi si dedicheranno alla ricerca interdisciplinare per la realizzazione di nanodispositivi
      Presentazione Progetto PLATFORMS - 5 novembre 2009 - Archivio Antico Università di Padova Laboratorio per la Nanofabbricazione e la ricerca su Nanodispositivi
      • Il LaNN - sarà focalizzato sullo sviluppo delle tecnologie di nanolitografia e di nano fabbricazione.
    • 35. Electron Beam Lithography 6 nm
    • 36. Le promesse della nanotecnologia per i biosensori
      • Alta sensibilita’
      • Specificita’
      • Accuratezza
      • Miniaturizzazione
      • Analisi in tempo reale e in-situ
      • Analisi in vivo
      • Analisi parallele – micro array
      Presentazione Progetto PLATFORMS - 5 novembre 2009 - Archivio Antico Università di Padova Lab-on-chip
    • 37. Il nostro Lab-on-chip Surface Plasmon Polariton biosensor Half monolayer sensitivity! 10 times better of the state of the art
    • 38. NANOSPETTROFOTOMETRO e BIOANALIZZATORE STAZIONE IBRIDAZIONE e LAVAGGIO MICROARRAY SCANNER MICROARRAY SPOTTER PCR e REAL TIME PCR Facility per la costruzione di microarray
    • 39. Misure di microscopia in campo prossimo (SNOM) AFM / SNOM contact and AC mode Confocal,  -Raman, fluorescence Raman mapping, fast Raman imaging Reflection and Transmission mode Detectors: 2 PMT, APD, CCD 200  m x 200  m x 20  m 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
    • 40. Attività 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.
    • 41.
      • 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
      Informazione e disseminazione
    • 42. Utilizzo delle risorse: voci di spesa
    • 43. Distribuzione delle risorse tra UO
    • 44. Ricadute attese
      • Sviluppo 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.
    • 45. Contatti 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.
    • 46. Conclusioni
      • PLATFORMS è un Progetto Strategico perché:
        • fortemente interdisciplinare;
        • genera un rete estesa e sinergica di interazioni in Ateneo;
        • sviluppa conoscenze in un ambito scientifico innovativo;
        • Sviluppa abilità in un settore strategico per il territorio.
    • 47. Grazie per l’attenzione … ed arrivederci alla presentazione dei risultati di medio termine, tra un anno e mezzo.

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