Design of a waveguide-nanoparticle enhanced Raman scattering system for advanced on-chip spectroscopy

Abstract

[ES] El presente trabajo tiene como objetivo la creación de chips fotónicos integrados (PICs) basados en interacción Raman para su uso como biosensores. También tiene como objetivo el montaje de un set-up híbrido para la caracterización de los chips, que combina potenciamiento de la señal Raman con guía de onda (WERS) y con plasmones de superficie localizado (LSP). En el primer capítulo, se hace una introducción del estado del arte, presentando el concepto de radiación Raman, espectroscopía Raman de superficie potencia (SERS) y las consideraciones iniciales para el diseño y montaje del set-up WERS experimental. En el segundo capítulo, se presenta la metodología y materiales utilizados para en primer lugar la funcionalización, transferencia de nanopartículas (NPs) sobre los chips fotónicos y, en segundo lugar, para el montaje del set-up mencionado. El tercer capítulo muestra los resultados obtenidos, donde se muestra la transferencia de nanopartículas en el hueco de dos nano antenas de oro, de dos muestras con diseños diferentes, y su caracterización con microscopía óptica, señales de Raman guiado y en espacio libre. Por otro lado, se presenta la transferencia de nanopartículas sobre un chip con hendiduras de un determinado tamaño que utiliza el efecto de potenciamiento de superficie con plasmón y su señal Raman en espacio libre. A continuación, se muestra el proceso de montaje del set-up, su actual estado y consideraciones finales sobre el mismo. Por último, en el cuarto capítulo, se presentan las conclusiones del trabajo, su impacto y las futuras líneas de avance de este.

[EN] The present work aims at the creation of photonic integrated chips (PICs) based on Raman interaction for use as biosensors. Also, another objective is the assembly of a hybrid set-up for the characterization of the chips, combining waveguide (WERS) and localized surface plasmon (LSP) Raman signal enhancement. The first chapter, an introduction of the state of the art is made, presenting the Raman radiation surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and preliminary considerations for the design and assembly of an experimental WERS set-up. Chapter 2, the methodology and materials used for firstly the functionalization and transfer of nanoparticles (NPs) on the photonics chips and secondly for the assembly of the mentioned set-up are presented. Then, the third chapter shows the results obtained, the transference of nanoparticles onto the gap of gold nano-antennas of two samples with different designs and the characterization with optical microscope images, guided Raman signals and free space Raman measurements. On the other hand, the transfer of nanoparticles on a chip with slits of a certain size using the surface enhanced effect by plasmon is presented. Then, the assembly process of the WERS set-up, its status, and final considerations about it are shown. In the four chapter, the conclusions of the work, its impact and future lines of progress are presented.

[CAT] El present treball té com a objectiu la creació de xips fotònics integrats (PICs) basats en la interacció Raman per al seu ús com biosensors. També té como a objectiu, el muntatge d’un set-up híbrid per la caracterització dels xips, que combina el potenciament de la senyal Raman amb guia d’ona (WERS) i amb el plasmó de superfície localitzat (LSP). En el primer capítol, es fa una introducció de l’estat de l’art, presentant el concepte de radiació Raman, espectroscòpia Raman potenciada en superfície (SERS) i les consideracions inicials per a el disseny i muntatge d’un set-up WERS experimental. En el segon capítol, es presenta la metodologia i materials utilitzats per a en primer lloc, la funcionalitzaciò i transferència de nanopartícules (NPs) sobre els xips fotònics i, en segon lloc, per al muntatge del set-up esmentat. El tercer capítol mostra els resultats obtinguts, on es mostra la transferència de nanopartícules en el buit de dos nano- antenes d’or, de dos xips amb dissenys diferents i la caracterització amb microscòpia òptica, senyals de Raman guiat i en espai lliure. D’altra banda, es presenta la transferència de nanopartícules sobre un xip amb clivelles d’una determinada grandària que utilitza l’efecte de potenciant de superfície amb plasmó la seua senyal Raman en espai lliure. A continuació, es mostra el procés de muntatge del set-up, el seu actual estat i les consideracions finals sobre aquest. En el quart capítol, es presenten les conclusions del treball, el seu impacte i les futures línies d’avanç d’aquest.