Nano-Analytical Systems for Chem & bio-sEnsing - NASCE (PRIN 2004 area 3, biennale dal 30/11/2004)Titolo UdR Lecce: SENSORI PIEZOELETTRICI BASATI SU STRATI ATTIVI NANOSTRUTTURATI

Nei sensori biomimetici, candidati a sostituire i biosensori in talune applicazioni, recettori artificiali costituiscono gli elementi di riconoscimento. Uno dei problemi principali per l’effettivo sviluppo di sensori biomimetici basati su MIM è rappresentato dal lungo tempo di risposta. La riduzione a dimensioni nanometriche del cammino che le molecole di analita devono compiere per raggiungere il sito di legame può risolvere tale problema. Partendo da tale considerazione, questo progetto sarà principalmente rivolto allo sviluppo di sensori piezoelettrici basati su strati attivi nanostrutturati di MIM. I MIM saranno nella forma di nanoparticelle e di film sottili (dell’ordine dei nm). Questa Unità perseguirà anche un significativo aumento della sensibilità di questi sensori sciegliendo per una parte del lavoro la copolimerizzazione di due idonei comonomeri funzionali al posto della classica omopolimerizzazione. Con questo scopo, comononeri (acido metacrilico e metalloftalocianine) che possano cooperativamente interagire con l’analita sono stati scelti. La realizzazione di questi obiettivi richiede la combinazione di competenze nella sintesi di ftalocianine ed in genere, nella caratterizzazione fine morfologica e strutturale di materiali nanostrutturati e nello sviluppo analitico di sensori QCM e di sensori biomimetici a base di MIM, che sono disponibili nell’Unità di Ricerca (UdRLE). Saranno principalmente studiati due tipi di materiali: TiO2 (nanoparticelle) e copolimeri (film sottili) dell'acido metacrilico (MAA) e di derivati vinilici delle metallo-ftalatocianine (MPC). Fenoli (per es. cloro- e nitro-fenoli) (sensori a base di TiO2) e nucleotidi (sensori a base di MAA/MPC) sono stati scelti come analiti d’interesse per la loro importanza ambientale e/o clinica per i sensori piezoelettrici che si svilupperanno nel presente progetto. UdRLE contribuirà anche alla caratterizzazione dei materiali studiati dalle altre Unità ed eseguirà per mezzo di QCM la valutazione preliminare delle proprietà di sensing di materiali sviluppati dalle altre Unità e da impiegare in sensori basati su Transistor a Film Sottile oltre ad operare studi QCM in collaborazione su temi di comune interesse con le altre Unità.Inoltre le apparecchiature Langmuir-Blodgett (LB) e la competenza disponibile nel gruppo el Prof. L.Valli (Lecce) saranno utilizzate da tutte le Unità per depositare materiali preparati come film sottili altamente ordinati per applicazioni sensoristiche. Di seguito sono elencate le attività del progetto, con evidenza per le connessioni con le altre Unità: Sviluppo di sensori piezoelettrici basati su film contenenti nanoparticelle di TiO2 stampato (i-TiO2) 1. preparazione e caratterizzazione di colloidi stabili di TiO2 tramite idrolisi a temperatura ambiente di titanile ossalato. Questa UdR ha già preparato questo colloide [22] e lo ha caratterizzato per mezzo della sola spettroscopia UV-VIS, correlando la soglia d’assorbimento al diametro medio delle particelle[22]. In questo progetto, uno studio di Frazionamento in Campo di Flusso (FFF) (UdRBO) aumenterà l'informazione sulla fase dispersa attraverso la valutazione della distribuzione del diametro delle nanoparticelle. Questa informazione costituirà la base per la scelta delle condizioni sperimentali relative alla preparazione di i-TiO2.. 2. Assemblaggio e caratterizzazione di sensori piezoelettrici basati su i-TiO2 per fenoli selezionati. Colloidi di i-TiO2 saranno preparati come al punto 1 ma in presenza dello stampo. La caratterizzazione UV-VS ed FFF della fase dispersa sarà poi eseguita e l’influenza dello stampo valuatata. I sensori piezoelettrici saranno assemblati per immobilizzazione alla superficie dei risonatori delle nanoparticelle di i-TiO2 disperse nella fase liquida per mezzo di: a) intrappolamento durante la polimerizzazione elettrochimica di o-felineldiammina e /o anilina. Non è attesa l’ossidazione dei fenoli prescelti ai potenziali di lavoro. Le condizioni sperimentali che favoriscono le interazioni elettrostatiche, se possibili, fra TiO2 ed polimero e che producono i film sottili saranno selezionate. b) intrappolamento durante la deposizione Langmuir-Blodgett (LB) di film di ottadecilammina. Anche l'uso di altri anfifili in deposizioni Langmuir-Schafer(LS) sarà esplorato. La rimozione dello stampo sarà eseguita dopo la deposizione per trattamento con soluzioni basiche. Il risultato di esperimenti di rebinding (contatto con l’analita dopo allontanamento di quello intrappolato nella fase di sintesi) sarà valutato per mezzo della variazione di frequenza (QCM) e di analisi d’impedenza (analizzatore di rete). Un confronto con TiO2 non stampato e prove di selettività saranno eseguite per confermare l’effetto di imprinting. La caratterizzazione chimica per mezzo di XPS (UdRBA) relativa ad i-TiO2 che siano stati riconosciuti promettenti per l’uso in sensori sarà eseguita su campioni contenenti lo stampo e sarà utilizzata per ottenere una conferma indipendente dell’effetto di imprinting. A questo scopo si concentrerà l’attenzione su elementi marker dello stampo ( per es. Cl per i clorofenoli). Sarà eseguita anche la speciazione del Ti. La caratterizzazione morfologica e strutturale degli i-TiO2 prescelti sarà studiata: l’analisi sarà eseguita preliminarmente mediante SEM/EDX e approfondita per mezzo di AFM. Misure HRTEM e di nanodiffrazione saranno effettuate sui film rimossi dal substrato con opportuno etching chimico e depositati su griglie convenzionali: la distribuzione dei diametri delle particelle dovrebbe essere il principale risultato. Le particolare caratteristiche dei campioni (grani di nanocristalliti incastonati nella matrice amorfa) daranno immagini HRTEM caratterizzate da un rapporto segnale-rumore (S/N) che può essere molto basso. Il rapporto S/N sarà migliorato attraverso la convoluzione fornita da un filtro di Bragg nella posizione del massimo nella trasformata di Fourier veloce (FFT) delle immagini sperimentali di HRTEM. La valutazione delle prestazioni analitiche dei sensori completerà questo stadio. Sono programmati anche tentativi rivolti all’uso di esafluorotitanato come precursore delle nanoparticelle di TiO2. Deposizione mediante tecnica di Langmuir-Blodgett di film sottili ordinate contenenti i-TiO2 Per mezzo di questo metodo, film di spessore controllato, ordinati e relativamente liberi da difetti possono essere cresciuti. All’interno del presente progetto, nanoparticelle i-TiO2 saranno depositate alla superficie dei risonatori durante la deposizione di multistrati di ottadecilammina per mezzo della tecnica LB, seguendo il protocollo già sviluppato per TiO2 non stampato [22,24]. L’eventuale influenza dello stampo sul processo di deposizione sarà valutato per mezzo dello studio dell’isoterma pressione-area, dei rapporti di trasferimento e con esperimenti in bianco. Potrà risultare necessaria l’ottimizzazione dei parametri di deposizione (pressione superficiale, velocità di compressione, velocità di upstroke e downstroke, etc.). Sintesi di PC e MPC Sarà ulteriormente esplorata la strategia sintetica per preparare PC e MPC derivatizzate basata sulla sintesi di opportuni precursori ftalonitrilici deguita da tetramerizzazione. In particolare si considererà l’influenza dei sostituenti polimerizzabili (vinilici, allilici, ecc.) sulla solubilità di MPC, un requisito essenziale nella sintesi di MIP. L’identità dei prodotti sarà confermata per mezzo di NMR, LC-MS, UV-VIS, ecc. La scelta di candidati promettenti per MIP per nucleotidi sarà guidata da indagini NMR, UV-VIS della loro coordinazione al centro metallico delle MPC. Alcune MPO saranno anche sintetizzate ed analizzate. Sviluppo di sensori piezoelettrici basati su film sottili di MAA/MPC stampato (i-MAA/MPC) “grafted” alla superficie dei risonatori 1. Preparazione di i-MAA/MPC (la selezione delle MPC è trattata nel punto sulla loro sintesi) per mononucleotidi. Nel primo stadio sarà utilizzata la classica polimerizzazione in bulk.La valutazione dell’effetto dello stampo sarà fatta mediante analisi HPLC/UV del surnatante proveniente dalla incubazione del MIP con la stampo alle diverse concentrazioni dell’analita (esperimenti di rebinding). Per confronto, saranno preparati MIP impiegando solo MAA o MPC ed il copolimero non stampato. Questo punto aiuterà nella scelta finale di MPC sulla base dell'affinità osservata del polimero corrispondente per lo stampo. Questa ulteriore selezione, dopo la valutazione già fatta per mezzo delle interazioni in soluzione MPC/nucleotidi, è necessaria poiché la capacità di coordinazione delle MPC possono essere notevolmente ridotte dai vincoli presenti nei siti di legame. Questo risultato sarà ottenuto fissando l'iniziatore radicalico di polimerizzazione in modo tale che i radicali formati a seguito dell’omolisi prevista restino legati alla superficie. Prima della polimerizzazione, silani e/o tioli bifunzionali legheranno l'iniziatore alla superficie. L’affinità per lo stampo sarà determinata mediante analisi di Scatchard dei dati di rebinding (QCM) e confrontata con il comportamento del polimero non stampato e di polimeri stampati preparati ysando un solo comonomero. La caratterizzazione chimica per mezzo di XPS (UdRBA) sarà particolarmente rivolta alle specie fosfato e metalliche ed eseguita su i-MAA/MPC contenente ancora lo stampo. La valutazione dell’entità dello stampo dovrebbe essere possibile dai risultati relativi. La caratterizzazione strutturale e morfologica di i-MAA/MPC promettenti sarà studiata: l’analisi sarà preliminarmente eseguita per mezzo di SEM/EDX ed approfondita con AFM. La valutazione delle prestazioni analitiche completerà questo stadio. Osservazione diretta dei siti di legame in materiali stampati mediante NAED ed LFM Saranno fatti tentativi di osservare l’inclusione dello stampo nelle nanoparticelle i-TiO2 mediante NAED su film staccati dal substrato prima della rimozione del temprato. Infatti, una deformazione del reticolo è attesa in conseguenza dell’inclusione dello stampo. Cura dovrà essere messa per evitare il danneggiamento del campione (per es. usando un’energia ridotta per il fascio). Per quel che riguarda i-MAA/MPC, si faranno tentativi di usare LFM con lo scopo di mettere in evidenza differenti domini chimici ( per es. le regioni con gli ioni metallici). Questa UdR si occuperà del setup dell'interfacciamento del sistema QCM con personal computer attraverso una scheda acquisizione e del relativo programma. Milestones and deliverables Prototipi di sensori piezoelettrici biomimetici per alcuni fenoli di interesse ambientale e per nucleotidi Articoli anche in collaborazione con altre Unità Preparazione di nuove MPC e materiali a stampo molecolare Caratterizzazione dei nuovi materiali mediante HRTEM/NAED e AFM/LFM