Nanofabrication of metal/polymer structures for surface enhanced Raman spectroscopy based biosensing

Abstract

Raman spectroscopy is a powerful tool for detection because the Raman spectra yields information about the molecular structure of a given analyte and the technique is commonly used as a molecular fingerprint. However the Raman signal is very weak, making the process inefficient. Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), has the advantage of increasing the Raman signal by several orders of magnitude, making the technique very attractive and is becoming increasingly popular in the fields of biotechnology and chemistry. Effective techniques for nanofabrication are essential in SERS, taking into account that the particles sizes conforming the SERS substrate, must be in the range of 5 – 100 nm to exhibit a maximum enhancement, with shape and interparticle spacing affecting its performance. In this project a series of hexagonal, elliptical, and square shaped arrays of nanopillars were produced using electron beam lithography. The nanopillars were patterned in poly(methylmetacrylate), a commonly used electron beam resist. These arrays were used to test their performance as SERS substrates as a result of the different shapes of the nanostructured surface, using the model molecule, 4-aminobenzoic acid (PABA). The results show that the elliptical-shaped nanopillars gave the maximum SERS signal for a given concentration of PABA, when a 15 nm thick layer of silve was deposited over the nanostructured surface, which was used as the enhanced metal surface.

La espectroscopía de Raman es una técnica poderosa de detección, ya que el espectro Raman provee informacion estructural de cierto analito dado, y la técnica además es comunmente usada como huella digital de las moléculas. Sin embargo, la señal Raman es débil, lo que hace el proceso ineficiente. La espectroscopía de Raman de superfice, más conocida como SERS por sus siglas en inglés (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) tiene la ventaja de incrementar la señal de Raman en varios oredenes de magnitud, haciendo a esta técnica bastante atractiva y se está volviendo cada vez más popular en los campos de biotecnología y química. Técnicas efectivas de nanofabricación son escenciales en SERS, teniendo en cuenta que el tamaño de las partículas que conforman el substrato para SERS, deben estar en un rango entre 5 – 100nm para que exiban un incremento máximo en la señal, con la forma y espacio entre partículas afectando también su desempeño. En este poyecto se han fabricado, por medio de Litografía con rayo de Electrones (EBL), una serie arreglos con nanopilares en forma hexagonal, elíptica, y cuadrada. Los nanopilares fueron hechos usando el comunmente usado PMMA (polimetilmetacrilato) como material resistivo. Los arreglos fueron usados para probar su desempeño como substratos para SERS, en funcion de las diferentes formas geométricas de las nanoestructuras en la superficie, utilizando como molecula de prueba 4 ácido aminobenzoico (PABA). Los resultados muestran que los pilares con forma elíptica dieron la máxima señal de SERS para una concentración dada de PABA, cuando una capa de 15 nm de plata fue depositada sobre la superficie nanoestructurada, la cual fue usada como la superficie de mejoramiento de la señal de Raman.