La quantificazione del DNA è una tecnica fondamentale in numerosi campi scientifici e medici, in particolare in ambito biotecnologico, dove la rapidità e la sensibilità sono cruciali. Recentemente, il progresso delle nanoscienze ha offerto nuove opportunità per migliorare la precisione e l'efficienza delle tecniche di rilevamento del DNA, con il ricorso alle nanoparticelle d'oro (AuNPs) che, grazie alle loro caratteristiche uniche, sono emerse come uno degli strumenti più promettenti per queste applicazioni.

Le nanoparticelle d'oro presentano fenomeni ottici notevoli, tra cui la risonanza plasmonica di superficie localizzata (LSPR), che le rende particolarmente adatte per applicazioni di rilevamento molecolare e chimico. Questo fenomeno avviene grazie alla sensibilità della lunghezza d'onda LSPR all'ambiente dielettrico circostante, che consente una notevole amplificazione dei segnali ottici a livello nanometrico. Tuttavia, per sfruttare al meglio questa tecnologia, è necessario affrontare diverse sfide tecniche, tra cui la riduzione del legame non specifico tra le nanoparticelle, fondamentale per garantire sia una buona dispersione che un'elevata efficienza di ibridazione.

Una delle soluzioni proposte è l'introduzione di un gruppo terminale -COOH nelle catene di alchiltioli sulla superficie delle nanoparticelle d'oro, migliorando così la dispersione e la stabilità in soluzioni acquose. Inoltre, l'ottimizzazione della distanza interparticellare, che può essere regolata variando la lunghezza delle catene alchiliche, è cruciale per ottenere un gap interparticellare minimo di 1,0 nm, necessario per applicazioni avanzate di sensori SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy).

Un altro elemento chiave per migliorare la sensibilità nella quantificazione del DNA è la minimizzazione della dimerizzazione delle nanoparticelle. La dimerizzazione si verifica quando due nanoparticelle d'oro si legano tramite una sequenza complementare di DNA, e il numero di dimere è direttamente proporzionale alla quantità di DNA bersaglio. La sfida principale è mantenere una bassa dimerizzazione non specifica, che può verificarsi a causa di legami indesiderati tra le nanoparticelle e altre molecole presenti nel campione.

Per affrontare questa sfida, è necessario progettare modifiche superficiali ottimizzate che impediscano i legami non specifici e favoriscano l'ibridazione efficiente del DNA. La combinazione di una superficie modificata con alchiltioli e l'uso di oligoetilenoglicole per aumentare la solubilità, permette di evitare il fenomeno di aggregazione che comprometterebbe la sensibilità del test.

Inoltre, una delle sfide cruciali nella quantificazione del DNA è la gestione del range dinamico del test. Quando la concentrazione del DNA bersaglio supera i limiti del sistema di rilevamento, la capacità di quantificazione diventa limitata, e ciò può causare errori nei risultati. Un esempio di applicazione di questa tecnologia avanzata è la misurazione del carico virale di malattie come l'HIV e l'epatite C, dove una quantificazione accurata è essenziale per la diagnosi e il trattamento.

Il miglioramento della sensibilità nella rilevazione del DNA non si limita solo all'ottimizzazione delle nanoparticelle, ma richiede anche l'approccio integrato di una progettazione complessiva che consideri la preparazione del campione, le condizioni di reazione, e la tecnologia di rilevamento utilizzata. È quindi fondamentale comprendere che non esiste una soluzione unica che funzioni in tutte le circostanze, ma che ogni aspetto del processo deve essere adattato alle specifiche necessità del test, siano esse per applicazioni cliniche, ambientali o industriali.

In sintesi, la combinazione di nanoparticelle d'oro, tecniche di modificazione superficiale ottimizzate, e l'integrazione di approcci innovativi per minimizzare le interazioni non specifiche, rappresentano la chiave per realizzare un sistema di quantificazione del DNA rapido, sensibile e affidabile. Gli sviluppi in questo campo potrebbero rivoluzionare le pratiche diagnostiche, rendendo possibili test molecolari altamente sensibili e accessibili in una varietà di contesti clinici e di ricerca.

Come l'accoppiamento vibronico e l'interazione eccitone-plasmonica influenzano la dinamica quantistica nei molecole di squaraine e nelle loro strutture ibride

L'interazione tra la delocalizzazione di carica lungo la struttura molecolare e il accoppiamento con vibrazioni locali può avere un impatto significativo sulla dinamica quantistica di un sistema. Questo è previsto sia per le molecole isolate che per i film sottili aggregati, ma tali effetti non sono ancora stati studiati sperimentalmente in modo completo. Il capitolo si concentra sull'analisi di studi recenti che esplorano gli accoppiamenti vibronici nelle molecole di squaraine e gli accoppiamenti degli eccitoni nei film sottili aggregati di squaraine con modalità plasmoniche, utilizzando spettroscopia elettronica a due dimensioni (2DES) e tecniche di pompa-sonda ultraveloci.

I risultati ottenuti sono utilizzati per progettare strutture ibride composte da array di nanoslit in oro ricoperti da film sottili di squaraine J-aggregati, e sfruttando la 2DES con risoluzione temporale di 10 fs per eseguire il primo studio in dominio temporale degli accoppiamenti coerenti eccitone-plasmonici in questi sistemi. L'esperimento mira a risolvere le questioni legate alla risoluzione temporale necessaria per comprendere l'effetto dei movimenti vibronici sulle proprietà ottiche ed elettroniche delle molecole e il comportamento delle modalità plasmoniche nelle nanostrutture metalliche.

In molecole organiche come quelle di squaraine, l'accoppiamento vibronico con modalità ad alta frequenza della struttura scheletrica carbonio-carbonio, con frequenze intorno ai 1500 cm⁻¹, gioca un ruolo funzionale importante. La durata del loro periodo vibrazionale, intorno ai 22 fs, pone un limite superiore alla risoluzione temporale del setup sperimentale necessario per risolvere temporalmente l'effetto del movimento vibronico. Inoltre, i tempi di de-fase delle modalità plasmoniche nelle nanostrutture metalliche sono generalmente dell'ordine di qualche decina di femtosecondi, rendendo necessario un accoppiamento particolarmente forte per superare il tempo di de-fase inverso. Per ottenere ciò, sono necessarie indagini ultraveloci con una risoluzione temporale inferiore ai 10 fs.

Il setup sperimentale sviluppato per queste indagini combina una risoluzione temporale superiore a 10 fs con brevi tempi di acquisizione dati, ottenuti utilizzando un sistema laser ad alta ripetizione e uno schema di rilevamento sensibile. Il cuore del sistema è un interferometro comune, stabile di fase, chiamato TWINS (Translating Wedge-based Identical pulse eNcoding System), che si è dimostrato una soluzione semplice ed economica per la generazione di coppie di impulsi di eccitazione con fase bloccata per 2DES. Il principio di funzionamento di questo sistema implica che un impulso di ingresso venga separato in due componenti di fascio polarizzate s e p, le quali attraversano due coppie di prismi birifrangenti con diverse orientazioni dei loro assi ottici, creando un ritardo di fase proporzionale alla birifrangenza del materiale del prisma e alla posizione della piattaforma motorizzata che controlla gli spostamenti.

Le esperimentazioni eseguite utilizzano impulsi di pompa generati tramite amplificatori parametrici non-collineari (NOPA), alimentati da un sistema di amplificatori a fibra Yb operante a 175 kHz o un laser Yb:KGW che opera a 200 kHz. Gli impulsi generati da questi sistemi raggiungono durate molto brevi, dell'ordine di 10 fs, e vengono utilizzati per sondare le dinamiche degli accoppiamenti eccitone-plasmonici in strutture ibride di squaraine. La stabilità energetica dei singoli impulsi è fondamentale per garantire una qualità ottimale dei dati, e l'introduzione del sistema NOPA ad alta ripetizione consente di raggiungere un rapporto segnale-rumore che supera il limite del rumore da sparo.

La spettroscopia elettronica a due dimensioni (2DES) è uno strumento cruciale in questi esperimenti, permettendo di analizzare gli accoppiamenti dinamici tra gli eccitoni e i plasmoni in modo estremamente preciso. Ogni fase del processo sperimentale, dalla generazione degli impulsi alla loro interazione con il campione, viene ottimizzata per ottenere informazioni dettagliate sulle interazioni di fase in sistemi di squaraine e plasmoni. Le indagini 2DES sono in grado di rivelare la temporizzazione e la natura di questi accoppiamenti in modo da analizzare e manipolare le proprietà ottiche ed elettroniche dei sistemi molecolari in modo estremamente sofisticato.

In questo contesto, è fondamentale non solo comprendere le dinamiche degli accoppiamenti vibronici nelle molecole, ma anche la loro relazione con le proprietà macroscopiche dei materiali. Le nanostrutture ibride, come quelle formate da squaraine e film sottili d'oro, presentano potenzialità straordinarie per applicazioni in fotonica, optoelettronica e in altre tecnologie emergenti. La manipolazione degli accoppiamenti eccitone-plasmonici apre nuove possibilità per il controllo e l'ottimizzazione di processi fotonici a livello molecolare e nanometrico.

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