CN102156114A

CN102156114A - 拉曼检测方法与系统

Info

Publication number: CN102156114A
Application number: CN2010101171790A
Authority: CN
Inventors: 庞绍华; 菲利普·德瑞克
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2010-02-12
Publication date: 2011-08-17

Abstract

本发明公开一种拉曼检测方法与系统。本发明的检测方法包括提供一流体待测物在一信号增益结构上，并提供一激光光源在该信号增益结构上，该结构具有一V型沟槽可使待测物的拉曼信号放大。本发明另提供一拉曼检测系统，包含上述信号增益结构与一拉曼检测仪。

Description

拉曼检测方法与系统

技术领域

本发明涉及一种拉曼检测方法与系统，且特别是涉及一种利用信号增益结构检测流体待测物拉曼信号的方法与系统。

背景技术

拉曼检测的优点是其为非破坏检测、不需检体前处理、可处理不同型态的样品，由分子特殊的信息，判断分子的组成。然而，其信号灵敏度很弱，因此，须通过信号放大，产生足以判别的信号。现有拉曼信号的放大方式有两种，分别为金属微结构的设计或纳米颗粒的选用及处理以强化拉曼信号。在金属微结构的设计部分，有文献提出比较不同尺寸中空圆柱对的拉曼信号强度变化的研究，结果显示尺寸小者，拉曼强度较大。而纳米颗粒的选用及处理部分，其信号放大机制取决于颗粒间的空间与表面特性。例如美国专利US 7443489，将光谱活性(Spectroscopy-active)的标签与表面增益活性(Surfaceenhanced spectroscopy-active)的金属纳米颗粒结合，达成放大信号的目的，其关键技术在涂布颗粒表层材料的配方。此外，不同形状的纳米管(nanonanotubes)、纳米圆盘(nanodisc arrays)、纳米夹层(nanoburgers)、纳米三角棱柱(triangular nano-prisms)、纳米天线(nanoantennas)、纳米针(nanopins)等几何构型皆有相关文献研究。

发明内容

本发明的拉曼检测方法，包括提供一流体待测物在一信号增益结构上，其中该信号增益结构包括：一基材、至少一V型沟槽形成于该基材中；提供一激光光源在该信号增益结构上的该流体待测物以产生一表面增益的拉曼信号；及以一拉曼光谱仪检测该拉曼信号。

本发明另提供一拉曼检测系统，用以检测流体待测物，包括：一信号增益结构，包括一基材、以及至少一V型沟槽形成于该基材中；以及，一拉曼光谱仪，用于检测该流体待测物的拉曼信号。

为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：

附图说明

图1a为本发明实施例的拉曼检测系统示意图；

图1b～图1e显示各种信号增益结构的剖视图；

图2a～图2b为金属粒子在基材表面的放大示意图，用以说明V型沟槽对于金属粒子间距的影响；

图3a～图3c分别显示长方形、半圆形、V型沟槽等不同断面形状对拉曼信号强度的影响；

图4显示单一V型沟槽深度对拉曼信号强度的影响；

图5显示单一具有平底的V型沟槽不同截面拉曼信号强度变化；

图6为比较V型沟槽阵列与单一V型沟槽不同截面拉曼信号强度变化；

图7显示V型沟槽阵列不同截面拉曼信号强度变化。

主要元件符号说明

100～信号增益结构；

102～流体待测物；

102a～分析物；

102b～纳米金属粒子；

104～基材；

104a～平面基材；

105～V型沟槽；

105a～具有尖端的V型沟槽；

105b～具有平底的V型沟槽；

105c～V型沟槽阵列；

105d～V型沟槽阵列；

d1，d2～金属颗粒间隙；

θ～倾斜角度；

W₁～单一V型沟槽宽度；

W₂～V型沟槽阵列宽度；

D～V型沟槽深度；

d～V型沟槽间距；

106～金属披覆层；

106a～金属颗粒；

108～光源；

110～拉曼光谱仪。

具体实施方式

本发明提供了一种拉曼信号的增益技术，以倾斜侧边的V形沟槽结构，做为侦测信号放大的分析系统，对于检体或受测样品中的拉曼信号，有增强信号的作用，达成检测信号增益的效果。

图1a绘示本发明一实施例的拉曼检测系统，其包含一拉曼光谱仪110以及一信号增益结构100。由于拉曼光谱仪110通常可由以下单元组成：光源、单色光器、样品载台、侦测点固定装置、电荷耦合元件(CCD)、光扩大器与电子信号处理机等。拉曼光谱仪的结构非关本发明特征，为简化图示起见，此处仅绘示出拉曼光谱仪的激光光源108。

如图中所示，本发明的信号增益结构100包括至少一V型沟槽105的微流道形成于基材104中。基材104的材料可为高分子材料、半导体材料、金属材料或陶瓷材料。V型沟槽105可以利用光刻与蚀刻技术形成，或者利用机械加工方式形成。V型沟槽105表面覆盖一层由纳米金属颗粒组成的金属披覆层106，可利用等离子体溅镀方式形成，其材料可为金、白金或银等高导电性材料。

请参见图2a，V型沟槽105可使金属颗粒106a间的距离d1缩短，金属颗粒间的间隙小可使电场强度增加，使其更易产生共振等离子体，达成拉曼表面散射信号增益的效果。反观，当金属颗粒106a位于一平面基材104a时，其粒子间隙d2相对较大(d2＞d1)，故不易产生共振等离子体，无法产生拉曼表面散射信号增益。除此之外，具有倾斜侧边的V型沟槽105尚可使拉曼信号由一侧引导至相对侧，使检测的光径在V型沟槽中充分反射，因而提高侦测信号的强度。

请继续参见图1a，本发明的拉曼检测方法，包括提供一流体待测物102在信号增益结构100上，并利用激光光源108在信号增益结构100上的流体待测物102产生一表面增益的拉曼信号。流体待测物102可为包含分析物102a与纳米金属粒子102b的溶液，其中纳米金属粒子102b可以共价键方式与分析物102a结合，提供拉曼检测信号增强的效果。分析物102a可包含检体或人工合成分子，例如核酸、受质(substrate)、酵素(enzyme)、辅酶(coenzyme)、补体(complement)、抗原(antigen)、蛋白质(protein)、核蛋白(nucleoprotein)、脂质(lipid)、人造颗粒(beads)、其它细胞或生物分子。

除了图1a所示的V型沟槽外，本发明的信号增益结构也可有其他变化。图1b～图1e显示本发明的各种信号增益结构的剖视图。图1b所示的信号增益结构为类似图1a的单一V型沟槽105a，且其底部为一尖端(tip)。图1c的信号增益结构为一具有平底(flat bottom)的V型沟槽105b。图1d～图1e所示的信号增益结构则是由多个V型沟槽周期性地分布于基材上所构成的V型沟槽阵列105c、105d，且每一V型沟槽的两侧与基材104的上表面等高。图1d的沟槽阵列105c为完全相连的V型沟槽所构成，而在图1e的沟槽阵列105d中，相邻的V型沟槽则非彼此相连。虽然图中未显示，但熟悉此技术者应可了解，本发明也可使用具有平底的V型沟槽所形成的阵列，或是使用非周期性分布的V型沟槽来达到信号增益的效果。在本发明中，V型沟槽的倾斜角度θ可在10～88度之间，较佳在45～88度之间，沟槽的深度D则可介于1μm～300μm之间，单一V型沟槽的宽度W₁可介于1μm～3000μm之间。

当形成如图1c、图1d所示的沟槽阵列时，各V型沟槽之间的间距d可介于1μm～3000μm之间。应注意的是，此时的激光光源108的光源直径较佳大于该V沟阵列105c的总宽度W₂，以使信号增益结构中所有的V沟阵列都发挥信号增益的效果。V沟阵列105c中的沟槽数量并无特别限制，在固定总宽度W₂下，可调整沟槽的倾斜角度θ以增加沟槽的数量，然而阵列中单一沟槽的宽度不应小于所使用光源的波长，否则光源无法进入V型沟槽的缝隙中，例如当使用670nm的激光光源时，单一沟槽的宽度不应小于670nm。

除了前述各种V型沟槽外，举凡具有斜侧边的结构也可用于本发明以达到信号增益效果，例如：金字塔阵列的微结构特征、三角锥形阵列、六角锥形阵列、多边角锥阵列、多边棱柱形阵列、圆锥形阵列、同心圆锥形阵列与不规则棱柱形阵列，其几何结构形成多角度的转折，排列在微流道内部，也有助于拉曼信号的增益。

综上所述，本发明利用具有V型沟槽的微流道，除了可使金属粒子间隙缩短增加电场外，也可通过其倾斜侧边使信号来回折射，造成拉曼信号有明显增益的效果。以下将通过各种实施例验证V型沟槽对拉曼信号的增益效果。

实施例

实施例1：不同形状沟槽对拉曼信号的影响

此实施例分别比较长方形、半圆形及V型沟槽对拉曼信号的影响。

首先以聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)材料，以精密机械加工制作微流道渠道，分别制作长方形、半圆形、V型不同断面形状的微流道，三种形状的微流道具有相同深度0.5mm与长度44mm，其中，长方形与半圆形的流道宽度为1mm，V沟形的倾斜角为30度。微流道具有单一入口与出口，上盖板为1mm厚聚二甲基硅氧烷(Polydimethysiloxane，PDMS)材质的平板。

再来制备测试溶液，包括直径30nm的金纳米胶体(gold colloidal)，溶质的浓度为176pM，其拉曼信号在1075cm^-1((CC)_ring ring-breathing modes)与1585cm^-1((CC)_ring ring-stretching modes)的位置具有特定的峰值。

测量设备为可携式拉曼光谱仪(EZRaman-L，Enwave Optronics Inc.，Irvine，CA)，使用670nm激光与200mW的激发能量进行相关测量。

结果请参考图3a～图3c，当上述形状沟槽表面皆未作溅镀处理时，三个不同断面的最大拉曼信号皆位于截面的中间位置，且数值相近。然而，在沟槽分别都溅镀白金(厚度1000)后，最大拉曼信号明显增益约2倍(V型沟槽)。在上述三个几何形状中，V型沟槽能产生最大拉曼信号，适合作为拉曼信号侦测的信号增益结构。

进一步就V沟形截面上的各位置的拉曼信号侦测。首先，将含V沟槽基材设置于一具横向移动的载台，将拉曼侦测探头固定其上，每隔200μm横向距离做移动，并使用拉曼光谱侦测纳米金液的信号强度。

请参照图3c，可发现随着拉曼侦测探头朝横向移动至V沟形截面上的各位置时，侦测的信号强度与截面深度呈现正相关，即深度愈深，拉曼信号强度愈大，PMMA基材在溅镀前后，拉曼信号值也相同的趋势。至于V沟中间处的拉曼信号值有一低点，此原因为加工V沟形状的刀具在尖端(tip)所形成的平底(flat bottom)，由此可知，拉曼光谱的激光点位置坐落在侧边或平底信号上有很大的差异。

探究V型沟槽为何能提高拉曼信号，原因如前文所述，当激光点落在V沟断面的侧边时，由于光谱信号反射至另一斜边上，再由另一斜边反射回原点，使得侦测范围变大，因此，拉曼信号被增强；另一原因是V沟具有缩短金属颗粒间隙的效果，较易产生表面共振等离子体，可得到较强的拉曼信号。

实施例2：含V型沟槽的信号增益结构的制备

在此举一实施例说明以湿蚀刻制作含V型沟槽的信号增益结构。

首先选用4时晶片，利用LPCVD(low-pressure chemical-vapordeposition)，在晶片双面沉积厚度为700nm的Si₃N₄，然后，利用光致抗蚀剂涂布、曝光、显影与反应离子蚀刻(reactive ion etching-RIE)等程序，蚀刻出光掩模定义好的图形，最后，以KOH蚀刻硅芯片，蚀刻后的芯片，分别以丙酮与氢氟酸，将光致抗蚀剂与Si₃N₄去除，最后，在芯片表面溅镀一层Cr/Au(20nm/200nm)薄膜，灌注溶液后，再以厚度50μm的薄膜对V沟槽进行密封。

此实施例制备出的信号增益结构具有一基材(硅芯片)、及至少一V型沟槽形成于该基材中，其中该V型沟槽的斜边与该基材的底边形成一的倾斜角度，因材料的非等向性蚀刻的特性，制造完成的微结构侧边的倾斜角度皆为54.7度，该V型沟槽其截面为左右两侧边为倾斜面，而中间为平底(flat bottom)的形状，结构总宽度为3mm。

实施例3：单一V型沟槽深度对拉曼信号强度的影响

实施例3提供一单一V型沟槽，其截面为左右两侧边为倾斜面，而中间为平底的形状，结构总宽度为3mm，比较表面镀金与V型沟槽深度对拉曼信号强度的影响，观察拉曼信号在1585cm^-1峰值的变化，并沿横截面方向，记录各位置点的拉曼信号强度，结果如图4所示，在同样深度(50μm)V型沟槽中，表面溅镀金的V型沟槽比表面未镀金的拉曼信号强度相差3.3倍，表面溅镀金明显增益拉曼信号的强度，且溅镀金的V型沟微结构，在倾斜侧边与平底交界处，拉曼信号也有明显的增益效果。在V型沟槽的平底处，沟槽深度愈深，拉曼信号强度愈强，当V沟深度为100μm时，其拉曼信号强度为前者(深度＝50μm)的2倍。此外，在斜边与平底交界处，也有信号增益的效果，深度较深者，信号增幅可达43％(拉曼信号强度值14300～25200)；然而，深度较浅者，信号增幅只有26％(拉曼信号强度值7100～9600)。

实施例4：V型沟槽的平边与斜边对拉曼信号的影响

实施例4中，使用单一具有平底且溅镀上金宽度300μm深度100μm的V型沟槽，基材底部的平边距离约为158μm，图5为单一V型沟槽截面各位置点，观察1585cm^-1峰值的变化发现随着V型沟槽深度增加，拉曼信号强度也增加，且在平底与V型沟槽倾斜边的交界处，发现拉曼信号具有明显的增益现象，假设纳米颗粒在V型沟槽内分布是均匀的，在局部地区的信号增益，可视为几何结构改变所造成，由于光线路径在几何交界处有剧烈的反射，因此，造成拉曼信号有局部的增益效果，比较发现在V沟形交界处的信号强度比平底处多了28％(峰值从13300～18500)，且对称的几何形状会产生对称的信号强度分布的结果。在V型沟槽平底处，因光源直径小于平边长度，激光光源直射平底处时，缺乏在倾斜边反射的机会，因此，得到较低的信号强度。

实施例5：比较V型沟阵列及单一V型沟槽信号强度变化

实施例5提供一V型沟阵列(宽度100μm与深度78μm)及单一V型沟槽(宽度200μm与深度100μm)，结果如图6所示，当激光光源聚焦在V沟阵列(宽度100μm与深度78μm)的尖端(tip)时，可得到一最大的拉曼信号强度，因其沟槽的深度最大，随着横向位置移动至平面位置，信号逐渐减弱，但仅降低至4000左右，因此，可判定光源直径大于V沟阵列的平边间距。

当激光光源聚焦在单一V型沟槽(宽度200μm与深度100μm)时，底部的平边的距离约为58μm，随着横向位置的移动至中间位置，V型沟深度增加，拉曼信号强度也增大，值得注意的是，在平底与V型沟倾斜边的交界处，拉曼信号无增益的现象，在平底处的拉曼信号强度反而比较大，其因为光源直径(约为150μm)大于底部平边的距离，光源覆盖区域大于平边距离，使倾斜边与平边交界处的信号增益不明显。从图6中发现V型沟槽拉曼信号强度与结构深度呈正相关，当V型沟槽深度由78μm增至100μm时，深度增加幅度为22％，拉曼信号强度则从12310至16556，信号强度增加26％。

实施例6：V型沟阵列对拉曼信号强度的影响

实施例6提供一V型沟阵列，V型沟阵列总宽度为250μm，单一V型沟尺寸(宽度18μm与深度13μm)，结果如图7所示，当激光光源聚焦在V型沟阵列的中间区域时，可获得最大的拉曼信号强度，因为光源覆盖最多的V型沟阵列结构，而由前面的信号分析可知，单一V型沟形状的结构具有放大拉曼信号强度的作用，V沟阵列形成锯齿状的结构，可提供更强的信号增益效果。随着横向位置移动至中间位置，最大拉曼信号强度为10203。由此可知，激光光源的光束直径需大于整个信号增益结构，才能达到信号增强的效果。由前面的结果可知，单一V型沟深度与拉曼信号强度呈正比关系，因此，微结构深度差异由78μm降低至13μm时，拉曼信号强度理论上应从12310减少至2052。然而，在13μm深度的V型沟阵列结构，测量的信号强度为10203，足足放大了5倍。显然地，阵列V型沟形状所形成锯齿状的微结构，有助于拉曼信号的增益。

虽然已结合数个较佳实施例揭露勒本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims

1.一种拉曼检测方法，包括：

提供一流体待测物在一信号增益结构上，其中该信号增益结构包括：一基材、至少一V型沟槽形成于该基材中；

提供一激光光源在该信号增益结构上的该流体待测物以产生一表面增益的拉曼信号；及

以一拉曼光谱仪检测该拉曼信号。

2.如权利要求1所述的拉曼检测方法，其中该V型沟槽具有一平底(flatbottom)。

3.如权利要求1所述的拉曼检测方法，其中该V型沟槽底部具有一尖端(tip)。

4.如权利要求1所述的拉曼检测方法，其中该V型沟槽的倾斜角度为10～88度。

5.如权利要求1所述的拉曼检测方法，其中该V型沟槽深度介于1μm～300μm之间。

6.如权利要求1所述的拉曼检测方法，其中该V型沟槽宽度介于1μm～3000μm之间。

7.如权利要求1所述的拉曼检测方法，其中该信号增益结构包括多个V型沟槽分布于该基材所形成的V型沟槽阵列。

8.如权利要求7所述的拉曼检测方法，其中该些V型沟槽的间距介于1μm～3000μm之间。

9.如权利要求7所述的拉曼检测方法，其中每一V型沟槽的两侧与该基材的上表面等高。

10.如权利要求7所述的拉曼检测方法，其中该光源的光束直径大于该V型沟槽阵列的总宽度。

11.一种拉曼检测系统，用以检测流体待测物，包括：

一信号增益结构，包括一基材、以及至少一V型沟槽形成于该基材中；以及

一拉曼光谱仪，用于检测该流体待测物的拉曼信号。

12.如权利要求11所述的拉曼检测系统，其中该V型沟槽具有一平底(flatbottom)。

13.如权利要求11所述的拉曼检测系统，其中该V型沟槽底部具有一尖端(tip)。

14.如权利要求11所述的拉曼检测系统，其中该V型沟槽的倾斜角度为10～88度。

15.如权利要求11所述的拉曼检测系统，其中该V型沟槽深度介于1μm～300μm之间。

16.如权利要求11所述的拉曼检测系统，其中该V型沟槽宽度介于1μm～3000μm之间。

17.如权利要求11所述的拉曼检测系统，其中该信号增益结构包括多个V型沟槽分布于该基材所形成的V型沟槽阵列。

18.如权利要求17所述的拉曼检测系统，其中该些V型沟槽的间距介于1μm～3000μm之间。

19.如权利要求17所述的拉曼检测系统，其中每一V型沟槽的两侧与该基材的上表面等高。