The use of anodic aluminum oxide membranes as a sensing platform for surface-enhanced Raman spectroscopy

Abstract

Yüzey-arttırılmış Raman Spektroskopisi (SERS); geniş kullanım alanına sahip olması ve hassasiyetine rağmen sinyal tekrarlanabilirliği sorunlarından dolayı rutin tespit yöntemi olarak kullanılamamaktadır. Yüzey-arttırılmış Raman sinyallerini tekrarlanabilir ve yüksek şiddette elde edebilmek için litografik ve litografik olmayan bir çok yöntem kullanılarak geniş alanlı periyodik nanodekorasyonlu platformlar üretilmiştir. Bu çalışmada, litografik olmayan bir yöntem olarak yüksek saflıktaki aluminyumun iki-aşamalı anodizasyonu ile elde edilen anodik aluminyum oksit membranlar (AAM) kullanılarak iki farklı strateji ile farklı topogrfilerde yüzeyler elde edilmiştir. Önerilen sistemlerle yüzeylerin üretimi parametrelerle kontrol edilebilir ve kolaydır, litografik yöntemlere göre de ucuzdur.Tezin ilk kısmında AAM'lerin nanotümsek dekorasyonlu bariyer yüzünün SERS yüzeyi olarak kullanımı araştırılmıştır. Yüzey topografisinin SERS sinyal şiddeti üzerine etksini incelemek için, nanotümsek dekorasyonlu yüzeyler (NTDY) asitle aşındırılarak periyodik nanokrater dekorasyonlu yüzeyler (NKDY) elde edilmiştir. Üretilen yüzey karakterizasyonları TEM ve AKM ile yapılmıştır. Fiziksel buharla kaplama yöntemiyle optimum altın kalınlığıyla kaplanan yüzeylerden alınan SERS sinyal yoğunlukları, Metilen Mavisi ve Kongo Kırmızı model boyaları kullanılarakkarşılaştırılmıştır ve alınan deneysel sonuçlar Comsol 5.0 Optik Modülü ve Lumerical FDTD Solutions simülasyon programları kullanılarak da desteklenmiştir. Sinyal tekrarlanabilirliği ve tespit edilebilir en düşük metilen mavisi konsantrasyonu da araştırılmıştır.Tezin ikinci kısmında farklı por çapına sahip AAM'ler kalıp olarak kullanılarak periyodik nanosütun dekorasyonlu polikarbonat yüzeyler üretilmiştir. Üretilen iki farklı nanosütun çapına sahip yüzeyler pratik ve ucuz bir yöntem olarak üzerlerine polidopamin kaplama sonrası gümüş nanoparçacıklar çöktürülerek plazmonik etki yaratılmıştır. Üretilen yüzeyler TEM ve AKM ile karakterize edilmiştir. Üretilen farklı yüzeylerden elde edilen Metilen Mavisi sinyalleri karşılaştırılmış ve alınan sinyaller Lumerical FDTD Solutions simülasyon programı kullanılarak desteklenmiştir.

Despite the potential sensitivity and the wide range of applications for Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS), it can not be used as a routine diagnostic tool due mainly to the poor reproducibility of the high intensty SERS signals. In order to obtain reproducibly strong SERS signals, both lithographic and non-lithographic approaches are intensively investigated to produce large-area nanopatterned SERS substrates displaying periodically decorated arrays of nanostructures. Herein, two non-lithographic methods for fabricating periodically decorated plasmonic nanoparticle arrays by using anodic aluminum oxide membranes are presented. These membranes are a class of special biomaterials that are produced from high purity aluminum via two step anodization protocol. The production of these substrates are easy and highly controllable and compared to lithography it is cost-effective.The first part of the study proposes the use of nanobump-decorated barrier sides of the anodic aluminum oxide membranes (AAMs) as SERS substrates. In order to investigate the effect of surface topography on SERS signal intensities, the nanobump-decorated surface (NBDS) is further treated with wet etching to create periodic arrays of nanocraters. SEM and AFM characterizations are performed for the produced platforms. After coating with an optimized thickness of Au through PVD, SERS signal intensities of the nanocrater decorated surfaces (NCDS) and NBDS counterparts are compared by using two different model dyes, Methylene Blue and Congo Red. The experimental data is then confirmed with computer simulations using Comsol 5.0 Optics Module and Lumerical FDTD Solutions. Reproducibility of the signals and the lowest detectable concentration are also investigated.In the second part of the study, the effect of the AAMs pore-size is examined, as they are used as molds to obtain periodically nanopillar-decorated polycarbonate surfaces. Two different pore-sized AAMs are used and silver reduction is performed by coating the surfaces with polydopamine, for the facile creation of plasmonic effect. The obtained surfaces are characterized by SEM and AFM. The intensities of the SERS signals from the obtained surfaces are compared by using Methylene Blue and also is verified with computer simulations using Lumerical FDTD Solutions.