TW201307828A - 拉曼散射增強基板、利用上述基板之微量生化感測方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種拉曼散射增強基板與微量生化感測方法，此基板包括：一具有週期性奈米結構之基板，一反射層，形成於該具有週期性奈米結構之基板上；一介電材料層，形成於該反射層之上；以及一金屬薄膜層，形成於該介電材料層之上。

Description

拉曼散射增強基板、利用上述基板之微量生化感測方法

本發明係有關於一種基板，且特別是有關於一種拉曼散射增強基板與利用此基板之微量生化感測方法。

生活中的毒化物無所不在，每一種毒化物也有其法規標準值(例如苯(5.1 ppb)、鉛(50 ppb)、鎘(5 ppb)、巴拉松(20 ppb)、1,1,1三氯乙烷(0.2 ppm))，然而，由於分析儀器檢測昂貴且費時，限制了微量分析(trace analysis)的時效性與檢驗的普及性。為此，研究單位致力於開發高靈敏度、快速且低成本的生化感測器。

拉曼振動光譜(Raman Scattering Spectrum)具有指紋專一性(specificity)與多領域(multi-domain)應用的優點，近年來已廣泛地應用於微量分析領域中。然而，拉曼射散的強度非常微弱，為此，科學家利用金屬表面結構產生拉曼散射增強效應(surface-Enhanced Raman Scattering,SERS)，以將拉曼訊號放大10⁴-10¹²倍。

美國專利US 7,242,470揭露一種奈米結構於基板上，此奈米結構以奈米球自組裝的形式排列於基板上，然而，奈米球與基板之黏著性較差，且奈米球並非連續膜，因此用此方法不容易做出大面積、高均勻度且拉曼訊號增加效果好的基板。

美國專利US 7,864,313揭露一種基板，基板包括光子晶體結構與布拉格反射多層膜，用以提升靠近此結構的待側分子的拉曼訊號。然而，此基板的表面結構需要利用黃光微影製程搭配物理或化學蝕刻方式製作，此方式費時且提高成本。

因此，目前需要一種可大面積生產、便宜的拉曼散射增強基板，此基板可提高拉曼散射訊號，以應用於微量分析領域。

本發明提供一種拉曼散射增強基板，包括：一具有週期性奈米結構之基板，一反射層，形成於該具有週期性奈米結構之基板上；一介電材料層，形成於該反射層之上；以及一金屬薄膜層，形成於該介電材料層之上。

本發明另提供一種微量生化感測方法，包括以下步驟：提供上述之拉曼散射增強基板，用以吸附一待測分子；以及提供一雷射激發光源至該待測分子上，以產生拉曼散射訊號。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參見本案第1圖，此圖顯示本發明之拉曼散射增強基板10之剖面圖，於基板12之上依序為反射層14、介電材料層16、金屬薄膜層18。基板12之材質包括金屬、無機材料、有機高分子材料或上述之組合。須注意的是，基板12具有週期性奈米結構12a，且基板12與週期性奈米結構12a可由相同材料或不同材料所組成，另言之，基板12與週期性奈米結構12a可以是一體成型或由兩步驟形成。

週期性奈米結構12a之形狀包括圓柱型(cylinder)、半球型(semi-sphere)、弦波型(sine wave)、三角型(triangle)、碟型(disk)或上述之組合，週期性奈米結構12a並不限於上述之形狀，本領域人士可依照實際應用之需求，改變週期性奈米結構之形狀。週期性奈米結構12a可利用奈米壓印製程(nanoimprint process)或奈米電鑄(nano electroforming)的方式形成。

週期性奈米結構12a之週期P介於10-1000 nm，較佳介於300-700 nm，其中300-700 nm為搭配可見光波長雷射的較佳選擇。若週期P過短，則會造成製程難度提高甚至無法實施。若週期P過長，則無法搭配後續量測之雷射波長。

週期性奈米結構12a之結構大小L為佔整個週期P之0.1-0.9(duty cycle,L/P)。若週期性奈米結構與週期之比例(L/P)過大，則會導致結構複製困難，若週期性奈米結構與週期之比例(L/P)過小，則無法有效激發拉曼散射增強基板表面的電漿子共振條件，導致待測分子之拉曼訊號無法有效提升。

週期性奈米結構12a之深寬比(aspect ratio,H/L)為0.1-3，較佳為0.5-2之間。若深寬比過低，則奈米結構過於平坦而無法達到激發表面電漿子共振的效果，若深寬比過高，則會大大提高奈米壓印或奈米電鑄製程的難度。

反射層14係順應性地(conformal)形成於具有週期性奈米結構12a之基板12之上，其作用在於遮蔽基板12，避免基板12的材料本質吸收與避免基板12拉曼背景訊號的影響，因此，反射層14之厚度需大於反射層14材料於操作波長下的集膚深度(skin depth)。

反射層14之反射率大於約70%，較佳為大於85%，反射層14之材料包括金屬、上述之合金或介電材料，金屬例如銀(Ag)、鋁(Al)、金(Au)、銅(Cu)、銠(Rh)、鉑(Pt)，金屬合金例如銅鋁合金或金鎳合金，而介電材料例如矽或鍺等。

介電材料層16之作用在於調整Fabry-Perot共振腔(resonator)長度，亦即調整干涉共振模態(Fabry-Perot resonant mode)波長，介電材料層16由折射率1.3-5.0之材料所組成，例如二氧化矽(n=1.5)、氧化鋁(n=1.77)、氮化矽(n=2)、二氧化鈦(n=2.9)或矽(n=4)。

金屬薄膜層18之作用在於激發表面電漿共振模態。為了調整表面電漿共振波長並使表面電漿模態與干涉共振模態有機會耦合，因此金屬薄膜層18的膜厚需小於金屬薄膜層18材料於操作波長下的集膚深度(skin depth)，使金屬薄膜層18的內外兩個介面的表面電漿可以互相耦合(coupling)而產生新的共振模態，用以調整表面電漿的共振波長。

須注意的是，本發明金屬薄膜層18為連續或不連續之結構。於一實施例中，金屬薄膜層18較佳為連續結構，可使表面電漿透過連續金屬膜傳遞，並與相鄰結構的表面電漿相耦合以使增強拉曼散射之強度。

金屬薄膜層18之厚度小於反射層14之厚度，例如厚度約小於50 nm。金屬薄膜層18包括金、銀、鉑、鐵、鈷、鎳、銅、鋁、鉻或上述之合金。

綜上所述，本發明所提供之拉曼散射增強基板10藉由週期性奈米結構之基板12、反射層14、介電材料層16、金屬薄膜層18之多層設計，各層具有其特殊功效，可藉由調整週期性奈米結構之深寬比與週期，或調整各層之厚度以設計基板10之電漿子共振波長與雷射激發光源波長、拉曼散射波長一致，進而提高拉曼散射訊號。

此外，本發明另提供一種微量生化感測方法，方法包括提供上述之拉曼散射增強基板10，用以吸附待測分子；以及提供雷射激發光源至待測分子上，可照射波長介於400 nm-1200 nm的激發雷射，例如固態雷射(355 nm、532 nm、1064 nm)、氣體雷射(488 nm、514.5 nm、632.8 nm)、或半導體雷射(405 nm、532 nm、635 nm、670 nm、780 nm、808nm、1064 nm)等，使待測分子產生拉曼訊號。

本發明之拉曼散射增強基板10可用於測量固態、氣態或是液態的待測分子。在液態量測狀態下環境介質的pH值介於2至12之間。當待測分子之介質為水或有機溶劑時，其偵測濃度範圍介於100 ppm至0.1 ppb之間；當該待測分子之介質為空氣，其偵測濃度範圍介於100 ppm至1 ppb。

於一實施例中，當待測分子為孔雀綠(Malachite Green)分子時，偵測極限可達10^-10 M(約0.1 ppb)。

此外，本發明可施加一電場或一磁場至拉曼散射增強基板10，以幫助待測物吸附於基板上，進而增強拉曼訊號強度。

再者，本發明可藉由調整金屬薄膜層18或介電材料層16之厚度，使金屬薄膜層18之表面電漿子共振波長與雷射波長一樣，以進一步提高拉曼散射訊號強度。

【實施例】

實施例1-6　反射層膜厚對穿透率之影響

表1顯示實施例1-6之測試條件(塑膠基板鍍上金屬薄膜層(銀膜或金膜)在400nm、550nm、785nm的穿透率)，第2圖顯示實施例1-6之反射層厚度對應穿透度之關係圖，由圖中可知，隨著金屬薄膜層厚度增加，金屬薄膜層之穿透度會逐漸降低。以實施例6為例子，當金膜厚度大於30nm時，穿透度只剩下約7%。

第3圖顯示實施例6與比較例1(單純的塑膠基板)使用785nm雷射光量測基板的拉曼訊號。由圖中可知，實施例6相較於比較例1具有較為平坦的背景訊號，顯示反射層確實有遮蔽基板之效果，可避免基板背景訊號干擾待測物的量測。

實施例7-9　介電材料層之影響

表2顯示實施例7-9之結構(基板之上依序形成反射層、介電材料層與金屬薄膜層)，第4圖顯示實施例7-9之波長對應反射率之關係圖，用以說明介電材料層膜厚對反射光譜波谷位置(即干涉共振波長)的影響，由圖中可知，當介電材料層之厚度增加時，干涉共振波長會紅移(red shift)，因此可藉由改變兩金屬反射面之間的介電材料層厚度，來調整Fabry-Perot共振腔(Fabry-Perot resonator)干涉波長。

實施例10-14　金屬薄膜層之影響

表3顯示實施例10-14之週期性奈米結構塑膠基板(週期300nm,結構深度100nm)鍍上不同厚度之銀膜。第5圖顯示實施例10-14之金屬薄膜層厚度對應吸收波長(即電漿子共振波長)之關係圖，由圖中可知，當金屬薄膜層厚度小於75 nm時，金屬-介電材料層之間的兩個介面的表面電漿會互相耦合，分裂成對稱(symmetric mode)與反對稱(anti-asymmetric mode)的兩個新共振模態，其中對稱模態的共振波長會隨著膜厚減少而紅移(red-shift)，反對稱模態的共振波長會隨著膜厚減少而藍移(blue-shift)。

實施例15

實施例15為週期性奈米結構基板(週期P=400 nm、深度H=240 nm)之上依序形成反射層(35 nm銀膜)、介電材料層(200 nm二氧化矽)和金屬薄膜層(10 nm金膜)。

比較例2為平坦基板之上依序形成反射層(35 nm銀膜)、介電材料層(200 nm二氧化矽)和金屬薄膜層(10 nm金膜)。

第6圖顯示實施例15與比較例2之吸收光譜關係圖，由圖中可知，比較例2所組成的Fabry-Perot共振腔結構會在830nm與430nm附近產生共振，可分別對應兩個吸收光譜峰值(FP mode#1、FP mode#2)。而當共振腔結構製作於奈米結構基板上時(實施例15)，由於奈米結構多了激發侷限化表面電漿模態(Localized Surface Plamson mode,LSP)的機會(LSP mode#1~#4)，其吸收光譜變得更為複雜。其中860nm的吸收峰值為侷限化表面電漿模態(LSP mode)與Fabry-Perot共振腔共振模態(FP mode)相互耦合的結果，可使更多激發光源更有效被聚集在奈米結構上形成熱點(hot spot)。

第7圖顯示實施例15偵測10^-4 M孔雀綠溶液之拉曼光譜圖，由圖中可知，相較於未施加電壓的基板，施加電壓(-1 V)之訊號強度較強，因為外加電場會幫助離子型待測物往基板方向移動，因此可增強待測物吸附以提升拉曼訊號強度。

比較例3為市售基板(Klarite substrate from Renishaw Diagnostics)，比較例4為市售基板(wavelet substrate from NIDEK Co.Ltd.)，比較例5為具有平坦金膜的基板(無結構)。

第8圖顯示實施例15、比較例3-5偵測苯硫醇(thiophenol)單分子層之拉曼光譜圖(使用785 nm雷射光源激發)。

由第8圖可知，本發明之拉曼散射增強基板，由於具有週期性奈米結構、反射層、介電材料層、金屬薄膜層之多層結構，可有效提高拉曼散射訊號，相較於比較例3-5，本發明實施例15之拉曼散射訊號可提高10~20倍。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．拉曼散射增強基板

12．．．基板

12a．．．週期性奈米結構

14．．．反射層

16．．．介電材料層

18．．．金屬薄膜層

第1圖為一剖面圖，用以說明本發明之拉曼散射增強基板。

第2圖為一對應關係圖，用以說明本發明實施例之反射層厚度對應穿透度之關係圖。

第3圖為一拉曼光譜圖，用以說明比較例1與具有反射層遮蔽的實施例6，對於遮蔽基板拉曼背景訊號效果的差異。

第4圖為實施例7-9的反射光譜圖，用以說明波長對應反射率之關係圖。

第5圖為一對應關係圖，用以說明金屬薄膜層厚度對應吸收波長峰值位置之關係圖。

第6圖為基板吸收光譜模擬圖，用以說明具有週期性奈米結構的實施例與平坦結構之比較例，兩者吸收光譜的差異。

第7圖為一拉曼光譜圖，用以說明未加偏壓的比較例與施加偏壓的實施例15對於偵測孔雀綠溶液拉曼訊號強度之影響。

第8圖為一拉曼光譜圖，用以說明實施例與比較例偵測苯硫醇單分子層之拉曼訊號強度。

10．．．拉曼散射增強基板

12．．．基板

12a．．．週期性奈米結構

14．．．反射層

16．．．介電材料層

18．．．金屬薄膜層

Claims (22)

1. 一種拉曼散射增強基板，包括：一具有週期性奈米結構之基板，一反射層，形成於該具有週期性奈米結構之基板上；一介電材料層，形成於該反射層之上；以及一金屬薄膜層，形成於該介電材料層之上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該具有週期性奈米結構之基板包括金屬、無機材料、有機高分子材料或上述之組合。
3. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該週期性奈米結構與該基板由相同材料或不同材料所組成。
4. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該週期性奈米結構之形狀包括圓柱型(cylinder)、半球型(semi-sphere)、弦波型(sine wave)、三角型(triangle)、碟型(disk)或上述之組合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該週期性奈米結構之週期介於10-1000 nm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該週期性奈米結構之結構大小為佔整個週期之0.1-0.9(duty cycle)。
7. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該週期性奈米結構之深寬比(aspect ratio)為0.1-3。
8. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該反射層之反射率大於70%。
9. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該反射層之材料包括金屬、上述金屬之合金或介電材料。
10. 如申請專利範圍第9項所述之拉曼散射增強基板，其中該金屬包括銀(Ag)、鋁(Al)、金(Au)、銅(Cu)、銠(Rh)、鉑(Pt)。
11. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該介電材料層由折射率1.3-5.0之材料所組成。
12. 如申請專利範圍第11項所述之拉曼散射增強基板，其中該介電材料層包括二氧化矽(n=1.5)、氧化鋁(n=1.77)、氮化矽(n=2)、二氧化鈦(n=2.9)或矽(n=4)。
13. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該金屬薄膜層之厚度為約小於50 nm。
14. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該金屬薄膜層之厚度小於該反射層之厚度。
15. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該金屬薄膜層為連續或不連續之結構。
16. 如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該金屬薄膜層包括金、銀、鉑、鐵、鈷、鎳、銅、鋁、鉻或上述之合金。
17. 一種微量生化感測方法，包括以下步驟：提供申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，用以吸附一待測分子；以及提供一雷射激發光源至該待測分子上，以產生拉曼散射訊號。
18. 如申請專利範圍第17項所述之微量生化感測方法，更包括施加一電場及/或一磁場至該金屬薄膜層，以增強拉曼散射訊號。
19. 如申請專利範圍第17項所述之微量生化感測方法，其中該待測分子之介質的pH值介於2至12之間。
20. 如申請專利範圍第17項所述之微量生化感測方法，其中該待測分子之介質為水或有機溶劑，其濃度介於100 ppm至0.1 ppb之間。
21. 如申請專利範圍第17項所述之微量生化感測方法，其中該待測分子之介質為空氣，其濃度介於100 ppm至1 ppb。
22. 如申請專利範圍第17項所述之微量生化感測方法，更包括調整該金屬薄膜層及/或該介電材料層之厚度，以增強拉曼散射訊號強度。