Nanoparticelle d'oro e d'argento per l'amplificazione del segnale Raman: sintesi, caratterizzazione e applicazioni

The main goal of this work is the optimization of the synthesis protocols for the production of gold and silver nanoparticles of different sizes and the evaluation of Raman enhancement depending on size and surface area. All synthetic procedures investigated are managed in aqueous solution, in a range of temperature easy to control and reach, and ensure the formation of nanoparticles with desired features. Noble metal nanoparticles show brilliant colors depending on their size and shape, due to the collective oscillation of the electrons of the conductive band induced by an electromagnetic radiation, known as surface plasmon oscillation (LSPR). The oscillation frequency belongs to the visible region of the spectrum and gives rise to a strong surface plasmon resonance absorption. Furthermore the surface plasmons cause a great enhancement of the surface electric field on the metal nanoparticles surface exploited for SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering). The SERS provides a highly enhanced Raman signal from Raman-active analyte molecules, which absorbs onto a rough metal surface, typically nanoscala featured Au or Ag surfaces. In this work spherical and monodisperse AuNPs of ca. 40 nm and 55 nm have been prepared by the citrate reduction of HAuCl4 in water, method introduced for the first time by Turkevich. Our test reveals that the temperature plays an important role in determining shape of the colloidal solution. The seeding-growth procedure, a method for enlargement of Au nanoparticles called seeds, has been used for the synthesis of colloids in the range of 100-120 nm: in this case the reduction has been performed by hydroxylamine at room temperature. Thanks to a depth study on reagents concentration, addition sequence and molar ratio between precursor and reductant, the best conditions have been found to obtain exclusively spherical and monodisperse nanoparticles. A similar process of colloidal surface-catalyzed reduction of metal precursor by citrate, the stepwise seeded-growth, has been applied for the preparation of silver nanospheres of ca. 30 nm and 60 nm. The control over the synthetic parameters, as a results over the colloids properties, ensures good accuracy and precision of SERS analysis, whose effect is strongly dependent by nanoparticles features like size and shape. In this regard SERS spectra of melamine, used as target molecule, have been collected with all metal nanoparticles produced. Melamine is an important industrial material used also as an adulterant in powder infant formula and animal feed because of its high nitrogen content that produce an incorrectly high reading in the measurement of the protein content. The main concern on melamine as a food additive is its potential toxicity on human health. Signal enhancement of AuNPs of different sizes has been compared under two conditions: the same concentration of gold nanoparticles and the same total surface area of gold nanoparticles. This study has allowed to define the optimal size of gold nanospheres for SERS spectroscopy: gold nanoparticles of 55 nm diameter seem to show the great enhancement.

Il presente lavoro di tesi si pone l'obiettivo di ottimizzare i protocolli per la produzione di nanoparticelle d'oro e d'argento di diverse dimensioni e di valutare l'amplificazione del segnale Raman, provocato da questi nanomateriali, in funzione della loro dimensione e area superficiale. Le sintesi testate sono tutte condotte in soluzione acquosa, in un range di temperatura facilmente controllabile e consentono di ottenere nanoparticelle monodisperse con le caratteristiche desiderate. Nanostrutture costituite da metalli nobili esibiscono un colore brillante funzione delle dimensioni e della forma delle nanoparticelle. Ciò è dovuto all'oscillazione collettiva degli elettroni della banda di conduzione dei metalli indotta dalla radiazione elettromagnetica, fenomeno noto come oscillazione dei plasmoni di superficie (LSPR), la cui frequenza appartiene al campo del visibile. L'LSPR è responsabile del rafforzamento del campo elettromagnetico locale che viene sfruttato nella tecnica SERS (Surface-Enhanced Raman Scattering), in base alla quale il segnale Raman di molecole Raman-attive adsorbite su sistemi metallici nanostrutturati, tipicamente d'oro e d'argento, risulta enormemente potenziato. Nell'ambito del lavoro sperimentale sono state preparate soluzioni colloidali di nanoparticelle d'oro sferiche e sufficientemente monodisperse di diametro di circa 40 e 55 nm sulla base del metodo di Turkevich, che prevede la riduzione di una soluzione acquosa di acido cloroaurico ad opera del trisodio citrato. Un'analisi più approfondita circa la temperatura di processo ha portato ad una netta riduzione delle nanoparticelle di forma non sferica. Nanosfere d'oro di circa 120 nm, invece, sono state ottenute attraverso un processo di crescita condotto sempre in presenza di citrato, ma che ricorre all'idrossilammina quale agente riducente a temperatura ambiente. Lo studio di parametri quali la concentrazione dei reagenti, l'ordine e la modalità di aggiunta e il rapporto molare tra precursore metallico e riducente, ha permesso di perfezionare la procedura per la sintesi di nanosfere monodisperse. Un processo di crescita analogo, che consiste in successive riduzioni del precursore metallico per mezzo del trisodio citrato in temperatura, è stato sfruttato per la sintesi di nanoparticelle d'argento di dimensioni comprese tra i 30 e i 60 nm. Il controllo delle caratteristiche di questi nanodispositivi in fase di sintesi e la riproducibilità dei protocolli garantiscono un'adeguata accuratezza e riproducibilità anche della tecnica SERS, fortemente dipendente dalla forma e dalla dimensione delle nanoparticelle metalliche. A tal proposito è stato valutato l'effetto SERS di tutte le nanoparticelle prodotte sulla base dell'enhancement del segnale Raman della melammina, presa come sistema modello, provocato dalle nanoparticelle stesse. La melammina, molecola ampiamente impiegata in campo industriale e potenzialmente tossica per la salute umana, è stata utilizzata anche come adulterante alimentare in mangimi animali e nel latte in polvere in virtù del suo elevato tenore di azoto in grado di falsare il contenuto proteico di questi prodotti. Il confronto tra i segnali registrati a parità di concentrazione delle nanoparticelle d'oro e a parità di area superficiale esposta dalle stesse ha permesso di definire la dimensione ottimale delle nanosfere per l'indagine SERS. Nello specifico le nanosfere di diametro di 55 nm sembrano esibire l'enhancement più intenso.