Design of chiral system-based optical sensors

Abstract

ABSTRACT: The concept of chirality — an atypical property an object that cannot be superimposed with its mirror image shows — is of great importance in life sciences, as many bioreceptors exhibit this nature. Specifically, the distinction between enantiomers — different forms in which a chiral object can present itself – is very important for the pharmaceutical sector, as different enantiomers of the same molecule often have different effects in the human body. During the last decade, several enantiomer differentiation techniques based in optics have been developed, since light can be chiral depending on its polarization. In this work the electromagnetic response of different chiral systems is studied in order to find a structure able to enhance the chiroptical response of possible targets (enantiomers being sensed). In particular, design and characterization of metasurfaces capable of generating Surface Plasmon Polaritons (SPP) – interaction between light and the conduction electrons of a metal – has been performed. A novel metasurface that combines chiroptical enhancement and excitation of directional plasmons has been proposed to improve the current chiral biosensing techniques.

REUMEN : El concepto de quiralidad — la atípica propiedad que muestra un objeto que no es superponible con su imagen especular — es de gran importancia para las ciencias de la salud, ya que muchas moléculas y biorreceptores exhiben esta naturaleza. En concreto, la distinción de enantiómeros — las distintas formas en las que un objeto quiral se puede presentar – es vital para el sector farmacéutico, puesto que diferentes enantiómeros pueden tener efectos distintos, a veces contraproducentes, en el cuerpo humano. La óptica ha jugado un importante papel en el reconocimiento de estos compuestos. En concreto, durante la última década, varias técnicas ópticas de diferenciación de enantiómeros han sido desarrolladas, utilizando el hecho de que la propia luz puede ser quiral dependiendo de su polarización. En este trabajo se estudia la respuesta electromagnética de sistemas quirales con el fin de encontrar una estructura que permita un sensado eficiente y selectivo de enantiómeros. En particular, se ha realizado el diseño y caracterización de metasuperficies capaces de generar resonancias plasmónicas superficiales (SPP) – interacciones entre la luz y los electrones de conducción de un metal. Se ha propuesto una novedosa metasuperficie capaz de combinar una amplificación de la respuesta quiral de muestras y la excitación unidireccional de plasmones superficiales, algo que permite una mejora significativa en las técnicas de biosensado quiral actuales.