Fibre a nucleo cavo ad accoppiamento inibito per biosensori

During the last decades, biosensors have gained more and more interest in several fields due to their particular features in the biochemical analysis. Involved sectors ranging from biomedical area to agri-food industry passing through defence and security. In the literature several types of biosensors have been studied based on different physical principle such as electrochemical, optical and mechanical (sensitive to mass changes). One of the main feature that the market requires is the “label-free” biosensing: the analysis is performed without any analytes alteration. The work described in this dissertation is focused on the conception and development of a new type of fiber based platform which could be a useful and effective for optical biosensing: Hollow core inhibited coupling fibers (HC-ICFs). They are characterized by a microstructured cladding composed of tubes that surround a hollow core. The holes running along HC-ICFs allow the infiltration of biological substances and for biological layers to attach on the air-dielectric interfaces. Compared to other holey fibers, the presence of a hollow core can further increase the infiltration feasibility and the sensor sensitivity. Moreover, in HC-ICFs the particular waveguiding mechanism, based on inhibition coupling, makes their transmission properties particularly sensitive to the thickness of the glass struts composing the microstructured cladding. Thank to that, if the molecular interactions between the surface of the glass struts and the target to be detected result in a generation of an additional layer which modifies the strut thickness, the target can easily detect by measuring the fiber transmission spectrum. The technique does not require any additional transducer component such as Bragg gratings, amplifying techniques such as nanoparticles, nor coherent sources. The principle is validated with experimental results showing the detection of molecules such as the streptavidin protein and DNA.

Negli ultimi decenni, i biosensori hanno suscitato un crescente interesse in diversi settori grazie alle loro particolari caratteristiche biochimiche e la numerosità dei settori potenzialmente coinvolti, che spaziano dal biomedicale all’industria agroalimentare, dalla difesa, alla sicurezza. In letteratura scientifica sono stati studiati svariati tipi di biosensori basati su diversi principi fisici come elettrochimici, ottici e meccanici (sensibili a cambiamenti di massa). Una delle caratteristiche principali richieste dal mercato è che il sensore sia "label-free", ovvero che l'analisi venga eseguita senza alcuna alterazione degli analiti. Il lavoro descritto in questa tesi è incentrato sulla dimostrazione teorica e lo sviluppo pratico di un nuovo tipo di piattaforma basata su fibra ideata per il biosensing ottico. Le fibre a nucleo cavo ad accoppiamento inibito (HC-ICF) sono caratterizzate da un rivestimento microstrutturato composto da tubi che circondano un nucleo cavo. I fori che le caratterizzano consentono l'infiltrazione di sostanze biologiche e l’adesione alle interfacce aria-dielettrico di strati biologici. Rispetto ad altre fibre cave aumenta ulteriormente la facilità d'infiltrazione e la sensibilità del sensore. Inoltre, negli HC-ICF il particolare meccanismo di guida d'onda, basato sull’accoppiamento inibito, rende le loro proprietà di trasmissione particolarmente sensibili allo spessore di tubi di vetro che compongono il rivestimento microstrutturato. Grazie a ciò, se le interazioni molecolari tra la superficie della struttura di vetro e la molecola da rilevare creano uno strato aggiuntivo che incrementa lo spessore della struttura, è possibile rilevare la molecola misurando lo spettro di trasmissione delle fibre. La tecnica non richiede alcun componente aggiuntivo come reticoli di Bragg, tecniche di amplificazione come nanoparticelle o sorgenti coerenti. Il principio è validato con risultati sperimentali che mostrano la rilevazione di molecole come la proteina streptavidina e il DNA.