Stampa ink-jet di substrati SERS per lo studio di reazioni in un set-up microfluidico

Studying the chemical reaction mechanisms and dynamics is one of the fundamental tasks in chemistry. Nevertheless, it becomes particularly challenging when the diffusion of the species and the reaction kinetic are on the same order of velocity. In this view, new approaches in which diffusion dynamics and reaction kinetics can be decoupled are of great interest. The objective of this thesis is therefore to develop a microfluidic setup for the purpose of studying flow reactions by the Surface-Enhanced Raman Scattering signals associated with the species involved. In contrast with studying reactions in batch, this method makes it possible to observe the evolution of the reaction in the spatial dimension, potentially showing the mixing of the reagents and the reaction as soon as it starts to occur. The base of the microfluidic chip was inkjet printed with a gold nanoparticles ink to obtain an efficient SERS substrate covering all the channel. The side walls of the chip were obtained by carved out brass, to make it reusable and less prone to molecular lateral diffusion/permeation (as it happens in PDMS). Finally, the base and the side walls were assembled with a silicone-based glue and closed with a thin glass cover slide. Micro-Raman measures were run during the reagents flow within the microfluidic device according to routines coded in Matlab environment. This setup was applied for a couple of binary mixtures, the first made of not-reacting dyes and the second made of two reacting species resulting in a Schiff base that was successfully detected by SERS along the microfluidic chip.

Lo studio dei meccanismi e delle dinamiche delle reazioni chimiche è uno dei compiti fondamentali della chimica. Tuttavia, risulta particolarmente impegnativo quando la diffusione delle specie e la cinetica di reazione sono dello stesso ordine di velocità. In quest'ottica, nuovi approcci in cui la dinamica di diffusione e la cinetica di reazione possono essere disaccoppiate sono di grande interesse. L'obiettivo di questa tesi è quindi quello di sviluppare un set up microfluidico per studiare le reazioni in flusso attraverso i segnali di Surface-Enhanced Raman Scattering associati alle specie coinvolte. A differenza dello studio delle reazioni in batch, questo metodo permette di osservare l'evoluzione della reazione nella dimensione spaziale, mostrando potenzialmente la miscelazione dei reagenti e la reazione non appena questa inizia a verificarsi. La base del chip, cioè la parete inferiore, è stata stampata a getto d'inchiostro con un inchiostro a base di nanoparticelle d'oro per ottenere un efficiente substrato SERS che coprisse tutti i canali. Le pareti laterali del chip sono state ottenute scavando una lastra d'ottone, per renderlo riutilizzabile e meno soggetto alla diffusione/permeazione laterale delle molecole (come avviene nel PDMS). Infine, la base e i pozzetti laterali sono stati assemblati con una colla a base di silicone e chiusi con un sottile vetrino di copertura. Le misure di micro-Raman sono state eseguite durante il flusso dei reagenti all'interno del dispositivo microfluidico, secondo routine codificate in ambiente Matlab. Questa configurazione è stata applicata per un paio di miscele binarie, la prima composta da coloranti non reagenti e la seconda da due specie che reagiscono, ottenendo una base di Schiff che è stata rilevata con successo da SERS lungo il chip microfluidico.