Nanostructured fiber probes towards enhanced label-free endoscopic spectroscopy of neurochemicals

Neurochemicals play a central role in physiological and pathological brain mechanisms. However, capturing neurochemical dynamics during neural recordings remains a major challenge, primarily due to their elusive physiological concentrations. Recently, Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), using neural probes based on optical fibers, has emerged as a promising approach for label free, in situ optical monitoring of neurochemicals in deep brain regions. This thesis focuses on the fabrication and characterization of nano-plasmonic neural probes built on the facet of thin multimode optical fibers for surface-enhanced spectroscopy. It presents the development of two self-assembly fabrication methods for fiber patterning: atmospheric pressure plasma-driven synthesis of gold nanoparticles and thermal de-wetting of thin gold films. The probes were characterized in terms of their optical, electrical and morphological properties and validated for through-fiber SERS, obtaining a benchmark detection limit comparable to the state of the art with the plasma-synthesis approach. Owing to their scalability, versatility and performances, the reported approaches have the potential to offer a complementary method for fabricating nanostructured optical neural probes for label-free deep brain spectroscopy.

Le sostanze neurochimiche svolgono un ruolo centrale in meccanismi fisiologici e patologici del cervello, tuttavia, misurarne la dinamica rappresenta ancora una sfida aperta, principalmente per la concentrazione elusiva a cui si trovano a livello fisiologico. Di recente, la spettroscopia Raman applicata attraverso fibre ottiche nanostrutturate è emersa come un approccio promettente per monitorare con metodi ottici le sostanze neurochimiche, accedendo a regioni profonde del cervello senza l'uso di marcatori. Questa tesi si pone l'obiettivo di sviluppare e caratterizzare sonde con nanostrutture plasmoniche sul faccetto di una fibra multimodale per amplificare il segnale di scattering Raman. Sono presentate due tecniche di autoassemblaggio per nanostrutturare la fibra: nel primo caso la sintesi di particelle d'oro è mediata da un plasma a pressione atmosferica, in alternativa si può effettuare un trattamento termico su un sottile strato d'oro. Le sonde sono caratterizzate dal punto di vista ottico, morfologico ed elettrochimico, inoltre sono state testate per valutare l'efficienza dell'amplificazione del segnale Raman, ottenendo un limite di rilevabilità in linea con lo stato dell'arte per quanto riguarda le nanostrutture trattate con il plasma. Grazie alla loro versatilità, efficienza e applicabilità su larga scala, queste tecniche hanno il potenziale di offrire un metodo alternativo per produrre fibre ottiche nanostrutturate, analizzando regioni profonde del cervello senza l'uso di marcatori.