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Abstract: I micro-risonatori dielettrici realizzati con vetri solidi di diverse geometrie, come sfere o toroidi, si sono rivelati dispositivi straordinari per il rilevamento biochimico ad alta sensibilità. Sfruttano un enhacement dell’interazione luce-materia dovuto all’intrappolamento della luce da parte delle risonanze whispering-gallery mode (WGM). D’altra parte, la spettroscopia Raman potenziata dalla superficie (SERS) è una metodologia formidabile che combina le informazioni sull’impronta digitale dello spettro Raman molecolare con l’amplificazione ottica in campo vicino delle risonanze plasmoniche di superficie localizzate (LSPR) su nanostrutture metalliche, consentendo il rilevamento di diversi composti anche in matrici liquide con sensibilità e selettività senza precedenti.
In questo progetto, combiniamo la spettroscopia con la fotonica per realizzare sonde Raman ultrasensibili per l’analisi di specie chimiche di interesse ambientale in grado di operare direttamente in fase liquida e in un set-up compatto. Gli elementi sensibili sono costituiti da microsfere ottiche di silice fabbricate in laboratorio la cui superficie è funzionalizzata con nanoparticelle metalliche mediante tecniche di immobilizzazione chimica o film metallici nanostrutturati da dewetting allo stato solido. Il rilevamento in tempo reale degli analiti disciolti in un campione liquido può essere ottenuto con l’eccitazione ’free space’ di WGMs in microrisonatori, assistiti da plasmone, ed immersi nel campione liquido: viene sfruttata così l’enorme sensibilità dello scattering Raman potenziato da LSPR su una microsfera eccitata in risonanza per rilevare e identificare specie chimiche in tracce, con limite di rilevamento estremamente basso. L’applicazione killer riguarderà la quantificazione diretta delle nanoplastiche nell’acqua, un raro inquinante chimico di grande preoccupazione nei serbatoi naturali, il cui rilevamento è attualmente irrealizzabile con le tecniche analitiche convenzionali. Mostreremo che questa piattaforma unica di risonanza fotonico-plasmonica è ideale per sfruttare le potenzialità dei microrisonatori e delle nanostrutture metalliche mentre apre nuove strade verso applicazioni di rilevamento dirompenti, che vanno dal controllo di qualità dei serbatoi di acqua dolce e il monitoraggio dell’inquinamento marino alla quantificazione dei contaminanti alimentari e rilevamento diretto di biomarcatori nei fluidi biologici.

Risultati scientifici:
1) Automatic Alignment Method for Controlled Free-Space Excitation of Whispering-Gallery Resonances