TW201346244A - 用以執行感測應用之設備 - Google Patents

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Abstract

一種用以執行感測應用的設備，包含一貯存器，用以容納一溶液、一配注器，用以自該貯存器配注該溶液、以及一基板，具有複數奈米指狀結構，設置以接收配注之溶液，其中該複數奈米指狀結構係可撓性的，使得該複數奈米指狀結構能夠相對於彼此被組構。該設備亦包含一照明源，用以照射接收之溶液、一被引入於該複數奈米指狀結構周圍的分析物、以及該複數奈米指狀結構，其中該分析物因被照射而自其發出光。該設備另包含一偵測器以偵測從該分析物發出之光。

Description

用以執行感測應用之設備
本發明係有關感測應用，特別是用以執行感測應用之設備。
拉曼散射分光術(Raman scattering optical spectroscopy)使用由照射材料內部結構的光子非彈性散射(inelastic scattering)所產生的發射光譜(emission spectrum)或其光譜成分。包含於一響應信號(例如，一拉曼信號)中的該等光譜成分係用以輔助一分析物種的材料特性判定，包含分析物之鑑認。
然而，拉曼信號等級或強度通常藉由利用一拉曼活性材料(Raman-active material)(例如，拉曼活性表面)被大幅地增強。舉例而言，由吸附於一結構金屬表面之上或者表面數奈米內之一化合物(或離子)所產生的拉曼散射光比溶於溶液之中或是處於氣相的同一化合物所產生的拉曼散射光可以大上103至1012倍。此種分析化合物之流程稱為表面增強拉曼分光術(surface-enhanced Raman spectroscopy；"SERS")。近年來，SERS已然成為研究分子結構以及界定接面與薄膜系統特性的例常程序及強力工具，甚至能夠進行單一分子之偵測。
在一實施例中揭示一種用以執行感測應用的設備，該設備包 含：一貯存器，用以容納一溶液；一配注器，用以自該貯存器配注該溶液；一基板，具有複數奈米指狀結構，設置以接收該被配注之溶液，其中該複數奈米指狀結構係可撓性的，使得該複數奈米指狀結構能夠相對於彼此被組構；一照明源，用以照射該接收之溶液、一被引入於該複數奈米指狀結構周圍的分析物、以及該複數奈米指狀結構，其中該分析物因被照射而自其發出光；以及一偵測器，用以偵測自該分析物發出之該光。
在另一實施例中揭示一種用以執行感測應用的方法，該感測 應用係針對一被引入複數奈米指狀結構上的分析物，該方法包含：自一貯存器將一溶液配注至該複數奈米指狀結構之上，其中拉曼活性材料奈米粒子被附加至該複數奈米指狀結構各自的尖端；施加熱至該溶液以使該溶液蒸發，其中該溶液之蒸發致使該複數奈米指狀結構中之相鄰者之尖端透過該溶液作用於該等尖端上的毛細管力而朝彼此牽引，且其中該分析物之分子係下列至少一者：被捕獲於附加至已朝彼此牽引的各自尖端之該拉曼活性材料奈米粒子之間，以及被置於毗鄰該等拉曼活性材料奈米粒子處；照射該拉曼活性材料奈米粒子與該分析物以使得經過增強之拉曼散射光從該分析物發出；以及偵測該經過增強之拉曼散射光。
在又另一實施例中揭示一種非暫時性電腦可讀取儲存媒 體，其上儲存機器可讀取指令，當被一處理器執行之時，針對被引入複數奈米指狀結構上之一分析物實施一種用以執行感測應用的方法，該機器可讀取指令包含用以執行下列步驟之程式碼：自一貯存器將一溶液配注至該複數奈米指狀結構之上，其中拉曼活性材料奈米粒子被附加至該複數奈米指狀結構各自的尖端；藉由一照明源施加熱至該溶液以使該溶液蒸發，其 中該溶液之蒸發致使該複數奈米指狀結構中之相鄰者之尖端透過作用於該等尖端上的毛細管力而朝彼此牽引，且其中該分析物之分子係下列至少一者：被捕獲於附加至已朝彼此牽引的各自的尖端之拉曼活性材料奈米粒子之間，以及被置於毗鄰該等拉曼活性材料奈米粒子處；藉由該照明源照射該拉曼活性材料奈米粒子與該分析物以使得拉曼散射光從該分析物發出；藉由一偵測器偵測該拉曼散射光；將該偵測到的拉曼散射光轉換成電氣信號；以及傳送該電氣信號至一目標接收器。
100‧‧‧感測應用設備
100'‧‧‧感測應用設備
100"‧‧‧感測應用設備
102‧‧‧貯存器
104‧‧‧配注器
106‧‧‧照明源
108‧‧‧偵測器
110‧‧‧介面
112‧‧‧平台
114‧‧‧基板
116‧‧‧奈米指狀結構
118‧‧‧箭頭
120‧‧‧溶液
122‧‧‧液滴
130‧‧‧照明射束
132‧‧‧拉曼散射光
140‧‧‧外殼
150‧‧‧電源
160‧‧‧第二貯存器
162‧‧‧第二配注器
164‧‧‧第二溶液
200‧‧‧奈米指狀結構陣列
204‧‧‧間隙
208‧‧‧尖端
210‧‧‧拉曼活性材料奈米粒子
300‧‧‧功能方塊圖
310‧‧‧分析物
400‧‧‧方法
402-408‧‧‧步驟
500‧‧‧方法
502-504‧‧‧步驟
600‧‧‧感測應用設備
602‧‧‧控制器
604‧‧‧配注器
606‧‧‧照明源
608‧‧‧偵測器
610‧‧‧致動器
612‧‧‧介面
614‧‧‧電腦可讀取媒體
616‧‧‧感測應用指令
618‧‧‧匯流排
本揭示之特徵係藉由實例例示，並不受限於以下的圖式，其中類似的數字表示類似的元件，圖式之中：圖1A至1C分別顯示用以執行一感測應用之設備的簡化剖面側視圖，依據本揭示之實例；圖2A顯示使用於一感測應用之一奈米指狀結構(nano-finger)陣列之等角投影視圖，依據本揭示之一實例；而圖2B及2C顯示圖2A之中所顯示之陣列沿著一線條A-A所取之剖面圖，依據本揭示之實例；圖3顯示使用於一感測應用之一感測設備之簡化功能方塊圖，依據本揭示之一實例；圖4顯示一種針對引入於複數奈米指狀結構上之一分析物執行一感測應用的方法的流程圖，依據本揭示之一實例；圖5顯示一種用於將代表偵測到的拉曼散射光之電氣信號傳送至一目標接收器的方法之流程圖，依據本揭示之一實例；而 圖6例示一種感測應用設備之示意圖，諸如任何一種描繪於圖1A至1C中之感測應用設備，依據本揭示之一實例。
基於簡明及例示之目的，本揭示之說明主要係參照其實例進 行。在以下的說明之中，其闡述許多具體之細節，以提供對於本揭示的全盤了解。然而，顯而易見地，本揭示之實現並未受限於該等具體細節。在其他樣例之中，一些方法及結構並未被詳加描述，以免多此一舉而對本揭示有所混淆。
遍及本揭示之中，其使用"一"表示至少一個特定元件。在本 說明書之中，"包含"一詞意味但不限於包含，"包括"一詞意味但不限於包括。"根據"一詞表示至少部分地根據。此外，"光"表示波長位於電磁頻譜之中的可見及不可見部分之電磁輻射，包含電磁頻譜中的紅外線和紫外線部分。
本說明書揭示一種用以執行諸如SERS、增強發光(enhanced luminescence)、增強螢光(enhanced fluorescence)等之感測應用的設備及方法。 該設備包含一貯存器、一配注器(dispenser)，以配注容納於該貯存器中之一溶液、一基板，具有複數奈米指狀結構，設置以接收被配注之溶液、一照明源、以及一偵測器。該等奈米指狀結構係可撓性的，使得該等奈米指狀結構係能夠相對於彼此被組構。就某一方面而言，該等奈米指狀結構在進行一測定之前可以具有一第一組態，而在該測定執行期間可以具有一第二、不同的組態。上述之照明源係用以照射接收之溶液、一引入於該複數奈米指狀結構周圍的分析物、以及該複數奈米指狀結構。此外，該偵測器， 其可以包含一光譜儀(spectrometer)，係用以偵測由於該分析物被該照明源之光照射，而自該分析物發出之光，諸如，拉曼散射光。該偵測器亦用以將偵測到的光轉換成代表偵測到的光的電氣信號。該設備可以亦包含一介面，電氣信號透過其傳送。該介面包含一無線及/或有線介面。
概括而言，本說明書所揭示的設備執行一分析物之收集與測 定，因此，該設備可以使用於一實驗室環境之外。此外，由於代表偵測到的拉曼散射光之電氣信號係傳送到該設備外部，故該設備外部之一裝置可以執行相對而言較複雜的動作，諸如偵測到的拉曼散射光之處理。依此觀點而言，本說明書所揭示的設備可以具有一相當小型且精巧之外觀尺寸，且因此可以適合於手持使用以及部署於實地現場。此外，相較於亦執行偵測到的拉曼散射光之處理的感測器材，本說明書所揭示的感測應用設備可以以一個相對而言較低的成本製造。
首先參見圖1A，依據一實例，其顯示用以執行一感測應用 之一設備100之一簡化剖面側視圖。其應理解，描繪於圖1A中的設備100可以包含額外的構件，且描述於本文中的一些構件可以在未脫離設備100之範疇下被移除及/或修改。其亦應理解，描繪於圖1A中的構件並未依比例繪製，因此，該等構件彼此之間可以具有不同於圖中所示的相對尺寸。
設備100被描繪成包含一貯存器102、一配注器104、一照 明源106、一偵測器108、一介面110、一平台112、一基板114、以及複數奈米指狀結構116。感測應用設備100之組件進一步被描繪成被整合入單一外殼140之中。就此而言，感測應用設備100可以被製造成一可攜式、手持裝置。換言之，外殼140之尺寸可以使得一使用者可以以其單手或雙手攜 持設備100。舉一特別的實例，外殼140可以是小於大約12吋寬乘以大約12吋長乘以大約4吋高。此外，雖然圖中未顯示，但外殼140可以包含一開孔，包含諸如空氣、水份等分析物之樣本可以透過其自周遭環境被引入外殼140之中以進行測試。
如同以下之更詳細描述，上述之複數奈米指狀結構116係可 撓性的，以使得該複數奈米指狀結構116中部分的相鄰指狀結構之尖端可以朝彼此牽引。此外，且依據一實例，其至少在該複數奈米指狀結構116的尖端提供拉曼活性材料奈米粒子(圖1A之中未標示)，以實質增強來自分析物的拉曼散射光之發射。就此而言，當奈米指狀結構116之尖端被牽引在一起時，提供於部分相鄰奈米指狀結構116之尖端上的拉曼活性材料奈米粒子可以朝彼此牽引，使得拉曼活性材料奈米粒子之間存在相當微小之間隙或者完全不存在間隙。
一奈米指狀結構116被界定成，舉例而言，一拉長形、奈米 等級之結構，具有一長度(或高度)，該長度超過在垂直該長度之一平面中所取的一個奈米等級橫截面尺寸(例如，寬度)的數倍(例如，長度>3倍寬度)。 概括而言，該長度遠大於該寬度或者橫截面尺寸，以輔助奈米指狀結構116往側面朝向一或多個相鄰奈米指狀結構116之彎曲。在某些實例之中，該長度超過該橫截面尺寸(或者寬度)的幅度大於大約5或10倍。例如，寬度可以是大約100nm(奈米)，而高度可以是大約500nm。在另一實例之中，奈米指狀結構116的基底處之寬度範圍可以介於大約10nm與大約1μm(微米)之間，而長度範圍可以介於大約50nm與2μm之間。在其他實例之中，奈米指狀結構116之尺寸係取決於用以形成奈米指狀結構116的材料種類。因 此，舉例言之，用以形成奈米指狀結構116的材料愈堅硬，則奈米指狀結構116之寬度可以愈小，使得奈米指狀結構116能夠側向塌折。在另外的實例之中，奈米指狀結構116可以形成脊狀，其中三個維度中的二個(例如，長度與高度)超過一奈米等級橫截面尺寸(例如，寬度)的數倍。奈米指狀結構116可以等效地被稱為奈米竿狀結構或者奈米柱狀結構，此並未脫離設備100之範疇。
在圖1A之中，貯存器102同時亦被描繪成容納一溶液120， 此溶液120被投送至配注器104，配注器104將其液滴122配注至奈米指狀結構116之上。配注器104包含任何合理的適當類型配注器，以可控制之方式將溶液120從貯存器102配注至奈米指狀結構116之上。因此，舉例而言，配注器104係用以將一固定容量之溶液120投送到奈米指狀結構116之上以進行定量分析。適當類型配注器之實例包含自動分注、熱致動、壓電致動、等等類型之配注器。舉一特別之實例，配注器104包含一種類似使用於噴墨印刷技術中之配注器。此外，一控制器(圖中未顯示)可以操控配注器104以控制液滴122之投送。舉一特別之實例，配注器104具有一小於大約10μm之解析度，但可以被設計成配注其他各種不同尺寸之液滴122。
溶液120包含任何合理適當類型之流體，預定被沉積於奈米 指狀結構116之上且至少局部地被蒸發。舉例而言，溶液120包含一功能化流體，用以與一特別類型或者數種類型之分析物分子進行，例如，黏結、溶解、或者一些其他類型之反應。舉另一實例而言，溶液120包含預定被引入一包含待測試分析物之環境中的流體，例如，透過將分析物混和入溶液120之中。舉另一實例而言，溶液120包含一種預定用以重新校準設備 100的已知濃度標準流體。就此點而言，貯存器102以及，在某些實例之中，溶液120，通常用以收集液體或者氣體樣本，以及用以在被沉積於奈米指狀結構116上之前儲存該等樣本。此外，貯存器102(及/或溶液120)可以用以在樣本被配注於奈米指狀結構116上之前過濾樣本。
如同亦顯示於圖1A之中者，其上提供奈米指狀結構116的 基板114被支承於平台112之上。依據一實例，配注器104與平台112的其中一者或二者係相對於彼此能夠移動的。因此，舉例言之，其可以藉由相對於彼此移動配注器104及/或平台112而將液滴122配注於各種不同位置的奈米指狀結構116之上。此外，平台112可以如箭頭118所示被移動到系統100內的另一位置，如圖1A所示。依據一實例，奈米指狀結構116被製造成疏水性(hydrophobic)或親水性(hydrophilic)。在此實例之中，親水性奈米指狀結構116之子集合可以被疏水性奈米指狀結構116之子集合隔開，以實質維持液滴122在奈米指狀結構116上之分隔。附加性或替代性地，基板114可以包含對齊標記，設備100使用其正確地對齊照明源106與偵測器108，使得基板114之預定區域在一特定時間被測試。
照明源106被進一步描繪成發出電磁輻射，如箭號130所 示，其包含，例如，一照明、雷射光、等等。舉例而言，照明源106包含一雷射，其照射奈米指狀結構116之尖端，如本文以下更詳細之說明。亦如圖所示，偵測器108，其可以包含一光譜儀，捕取拉曼散射光132。此外，偵測器108將拉曼散射光132轉換成電氣信號。
雖然圖1A之中描繪一單一照明源106，但依據另一實例， 設備100包含一照明源106之陣列。在此實例之中，每一照明源106可以均 發出彼此不同波長之光，且一快門系統(圖中未顯示)可以被被納入照明130與拉曼散射光132的路徑之中，以實質確保偵測器108能夠偵測到因分別接收自照明源106之陣列的光而發出之的拉曼散射光132。
依據一實例，偵測器108將電氣信號傳送至介面110，電氣 信號預定透過其被傳送至一目標接收器(圖中未顯示)。在此實例之中，上述之目標接收器可以儲存電氣信號及/或處理電氣信號以進行，舉例而言，自其捕取拉曼散射光132的分析物之鑑認。就任一方面而言，介面110包含硬體及/或軟體組件，使得電氣信號能夠被以無線或透過一有線連接的其中至少一種方式傳送。依此觀點而言，介面110可以包含一實體介面，諸如，一乙太網路(Ethernet)或者其他類型之連接埠，一纜線連接器可以插入其中。 附加性或替代性地，介面110包含一無線介面，包含一天線，用以將電氣信號以無線信號之形式傳送，諸如一RF信號、一藍芽(BluetoothTM)信號、一WiFiTM信號、一行動電話信號、等等。
依據另一實例，感測應用系統100包含用以至少局部地處理 電氣信號之組件(圖中未顯示)以進行，舉例而言，自其捕取拉曼散射光132的分析物之鑑認。
感測應用設備100被進一步描繪成包含一選擇性電源150。 電源150被視為是選擇性的，因為感測應用設備100可以是由透過一交流電源接收之電力供電。就任一方面而言，電源150可以包含，舉例而言，一直流電池或者其他適當的電源。適當電源之一實例係一射頻辨識(radio frequency identification；RFID)供電裝置。在此實例之中，感測應用設備100可以透過接收自，例如，一電磁輻射源(圖中未顯示)之電磁輻射而被供電。
以下參見圖1B，依據另一實例，其顯示用以執行一感測應 用之一設備100'之一簡化剖面側視圖。描繪於圖1B中之設備100'包含許多與包含於圖1A所描繪的設備100之中者相同之組件。因此，以下僅就圖1B之中與圖1A不同的特徵針對設備100'加以描述。
如圖1B之中所示，照明源106與偵測器108被設置以照射 奈米指狀結構116並收集拉曼散射光132，不需要平台112實質從一個位於配注器104下方的位置移動。相對於圖1A之中所描繪的設備100，設備100'因此可以具有一個相對而言較小之尺寸。此外，相較於圖1A之中所描繪的設備100，設備100'需要較少的移動構件。
如上參照圖1A所述，無論以何種方式，平台112能夠相對 於配注器104移動，或者配注器104相對於平台112移動，以使得溶液120中的液滴122能夠被沉積於奈米指狀結構116的各個不同位置的子集合之上。
以下參見圖1C，依據一另外的實例，其顯示用以執行一感 測應用之一設備100"之一簡化剖面側視圖。描繪於圖1C中之設備100"包含許多與包含於圖1A所描繪的設備100之中者相同之組件。因此，以下僅就圖1C之中與圖1A不同的特徵針對設備100"加以描述。
如圖1C所示，感測應用設備100"包含一第二貯存器160及 一第二配注器162。第二貯存器160被描繪成容納一第二溶液164，其透過第二配注器162被配注至基板114之上。第二配注器162包含任何合理的適當類型之配注器，以可控制之方式將第二溶液164從第二貯存器160配注至奈米指狀結構116之上。第二配注器162可以包含任何類型之配注器，且可 以被以上述有關配注器104的任何方式操控，舉例而言，以可控制之方式將一固定容量之第二溶液164投送到奈米指狀結構116之上。
依據一實例，相較於容納於貯存器102中的溶液120，第二 溶液164包含一不同之成分。就此而言，溶液120與164可以被沉積於奈米指狀結構116的不同位置的集合之上，且可以在奈米指狀結構116的不同位置集合上執行分析物之測試。在另一實例之中，藉由移動平台112與配注器104、162的其中一者或二者，溶液120與164可以被沉積至奈米指狀結構116的相同集合之上。例如，在一分析物預定被引入設備100"之前溶液120與164之結合是不必要或不實際的例子中，當溶液120與164被沉積至奈米指狀結構116之上時，溶液120與164可以被混合。
雖然感測應用設備100、100'、100"在圖1A至1C之中被描 繪成包含一或二個貯存器102、160以及一或二個配注器104、162，但其應理解，設備100、100'、100"可以包含任何合理數目之此等構件，而並未脫離設備100、100'、100"之範疇。此外，感測應用設備100、100'、100"之中相對於每個貯存器102、160均可以包含多個配注器104、162。
以下參見圖2A，依據一實例，其顯示描繪於圖1A至1C中 之奈米指狀結構116之一陣列200之等角投影視圖。如圖2A所示，陣列200包含基板114，奈米指狀結構116在其上延伸。更特別的是，奈米指狀結構116被描繪成附接至基板114之一表面並延伸於其上。基板114可以是由任何適當之材料構成，諸如，紙、矽(silicon)、氮化矽(silicon nitride)、玻璃、塑膠、聚合物(polymer)、SiO2、Al2O3、鋁(aluminum)、等等，或者是此等材料之組合，等等。
依據一實例，奈米指狀結構116係由一相當具可撓性之材料 構成，以使得奈米指狀結構116能夠側向地彎曲或塌折，例如，使得奈米指狀結構116之尖端能夠朝彼此移動，如以下更詳細之說明。用於奈米指狀結構116的適當材料之實例包含聚合物材料，諸如，UV固化或熱固化壓印抗蝕劑(UV-curable or thermal curable imprinting resist)、聚烷基丙烯酸酯(polyalkylacrylate)、聚矽氧烷(polysiloxane)、聚二甲基矽氧烷彈性體(polydimethylsiloxane(PDMS)elastomer)、聚醯亞胺(polyimide)、聚乙烯(polyethylene)、聚丙烯(polypropylene)、含氟聚合物(fluoropolymer)、等等，或者其任何組合、金屬材料，諸如，金、銀、鋁、等等、半導體材料、等等，以及其組合。
奈米指狀結構116透過任何適當的接合機制被附接至基板 114之表面。例如，透過各種適當的奈米結構生長技術，奈米指狀結構116被直接生長於基板114的表面之上。舉另一實例，奈米指狀結構116與基板114形成為一整體。在此實例之中，例如，自其產製出基板114的材料的一部分被蝕刻或以其他方式處理而形成奈米指狀結構116。在一另外的實例之中，一單獨材料層被黏附至基板114之表面，且該單獨材料層被蝕刻或以其他方式處理而形成奈米指狀結構116。在許多實例之中，其透過一奈米壓印(nanoimprinting)或浮雕(embossing)製程產製奈米指狀結構116，其中在一個對於聚合物矩陣的多步驟壓印製程中，使用一個具有相當剛硬之柱狀結構之模板，以產生奈米指狀結構116。在此等實例之中，其可以透過光學微影術(photolithography)或者其他使用預定圖案化之先進微影蝕刻技術形成一模板，以將奈米指狀結構116安排於預定的配置當中。更特別的是，舉例言 之，該預定之圖案可以藉由E射束微影蝕刻、光學微影、雷射干涉微影蝕刻、聚焦離子束(Focused Ion Beam；FIB)、球體自我聚集(self-assembly of spheres)等技術，被設計於一模具之上。此外，該圖案可以被傳輸至，例如，矽、玻璃、或者聚合物基板(PDMS、聚醯亞胺、聚碳酸酯、等等)之上。許多其他製程，諸如，蝕刻，以及用於微機電系統(micro-electromechanical system；MEMS)以及奈米機電系統(nano-electromechanical system；NEMS)的製造上的許多技術亦可用以製造奈米指狀結構116。
以上奈米指狀結構116被描繪成具有實質圓柱形截面。然而 其應理解，奈米指狀結構116可以具有其他形狀之截面，諸如，舉例而言，長方形、正方形、三角形、等等。此外，或者替代性地，奈米指狀結構116可以被形成具有一或多種特徵形態，諸如，凹口、凸塊、等等，以實質使得奈米指狀結構116可被彎折而往特定方向塌折(collapse)。因此，舉例而言，二或多個毗鄰之奈米指狀結構116可以包含一或多種特徵形態以增加奈米指狀結構116朝彼此塌折的可能性。奈米指狀結構116可以被塌折的許多方式更詳細地描述如下。
陣列200包含奈米指狀結構116之一實質隨機分佈或者奈米 指狀結構116之一特定組態。就任一方面而言，依據一實例，奈米指狀結構116相對於彼此被配置成使得當奈米指狀結構116處於塌折的狀態之時，能夠讓至少二相鄰奈米指狀結構116之尖端彼此緊密接近。舉特別的實例而言，相鄰的奈米指狀結構116被安置成彼此相距小於大約100奈米。依據一特別之實例，奈米指狀結構116被圖案化於基板114之上，使得相鄰的奈米指狀結構116優先塌折成預定的幾何形狀，例如，三角形、正方形、五 邊形、等等。
此外，雖然圖2A將陣列描繪成具有相當大量的奈米指狀結 構116沿每一列排列，但其應理解，該陣列在每一列之中可以包含任何數目的奈米指狀結構116，而並未脫離設備100、100'、100"之範疇。就某一方面而言，相當大量的奈米指狀結構116被提供於基板114之上，以在毗鄰的奈米指狀結構116朝彼此塌折之時，大體上增加捕取一待測試分析物的分子的可能性。
亦如圖2A所示，拉曼活性材料奈米粒子210被附加至奈米 指狀結構116之尖端。拉曼活性材料奈米粒子210包含一拉曼活性材料，諸如，但不限於，金、銀、銅、鉑(platinum)、鋁、等等，或者該等金屬呈合金形式之組合，或者能夠提供有助於拉曼散射場域增強之表面電漿子(Plasmon)的其他適當材料。此外，拉曼活性材料奈米粒子210可以是多層結構，例如，具有1到50奈米金質塗層的10至100奈米銀質疊層，或者反之，具有銀質塗層的金質疊層。拉曼活性材料奈米粒子210可以具有奈米等級的表面粗糙度，其特徵通常係由疊層表面上的奈米等級表面形態界定，且可以在拉曼活性材料層的沉積期間自然地產生。本文之中定義，一拉曼活性材料係一種在拉曼分光術進行期間輔助來自一置放於該拉曼活性材料附近的樣本的拉曼散射的材料。
以下參見圖2B，依據一實例，其顯示描繪陣列200沿著圖 2A中所示之一線條A-A所取之一剖面視圖。如圖中所顯示，奈米指狀結構116的每一個尖端208均分別包含配置其上之一拉曼活性材料奈米粒子210。拉曼活性材料奈米粒子210可以透過，例如，金屬材料的物理氣相沉 積(physical vapor deposition；PVD)、化學氣相沉積(chemical vapor deposition；CVD)、濺鍍(sputtering)等等，或者預先合成奈米粒子的自我聚集的其中一種方式，被沉積至奈米指狀結構116的尖端208之上。
雖然奈米指狀結構116在圖2A至2B之中被描繪成各自垂 直地延伸且延伸成彼此具有同一高度，但其應理解，部分奈米指狀結構116可以延伸成不同的角度及彼此具有不同高度。奈米指狀結構116之間的角度及/或高度上的差異可以是由於，舉例而言，存在於奈米指狀結構116之製造以及奈米粒子210在奈米指狀結構116上之沉積的生產或生長變異所形成的差異。
如圖2B所示，奈米指狀結構116係位於一第一位置，其中 尖端208呈實質上彼此隔開的配置方式。介於尖端208之間的間隙204可以是足夠大的尺寸，以使得分析物或者其他液體能夠被放置於間隙204之中。 此外，間隙204可以是足夠小的尺寸，以使得至少部分的奈米指狀結構116之尖端208，能夠透過，例如，當沉積於奈米指狀結構116上的溶液120、164蒸發時，作用於尖端208上的毛細管力(capillary force)，而在溶液120、164或者其他液體蒸發時朝彼此牽引。此外，在分析物包含一液體的例子中，奈米指狀結構116可以透過當分析物蒸發時作用於尖端208上的毛細管力朝彼此塌折。
以下參見圖2C，其顯示陣列200沿著圖2A之中所示之一線條A-A所取之一剖面視圖，在溶液120、164及/或分析物蒸發之後的情形。圖2C之中描繪的視圖與圖2B之中描繪的視圖相同，但奈米指狀結構116被描繪成處於一第二位置，其中部分的奈米指狀結構116之尖端208被牽引 向彼此。依據一實例，由於位於尖端208之間的間隙204中的溶液120、164蒸發期間及之後作用於相鄰奈米指狀結構116的毛細管力，部分奈米指狀結構116之尖端208可以處於彼此緊密接近的狀態並維持一段時間。
在任何事件之下，就某一方面而言，其造成奈米指狀結構 116之尖端208如圖2C所示地朝彼此牽引，使得一待測分析物分子實質被捕獲於位於相鄰尖端208上的拉曼活性材料奈米粒子210之間。就此方面而言，當分析物分子被捕獲於相鄰尖端208之間時，位於尖端208上的相鄰拉曼活性材料奈米粒子210之間可以保持一相當小之間隙，例如，數奈米或更小。藉由在彼此緊密接近的拉曼活性材料奈米粒子210之間實質捕獲一待測分析物分子，可以增強分析物分子之SERS，因為拉曼活性材料奈米粒子210之間的相當微小之間隙產生具有極大電場強度的"熱點(hot spot)"。此處的實質捕獲一分析物分子係用以表示分析物分子可以在至少二個彼此緊密接近的拉曼活性材料奈米粒子210之間被捕獲，或者被附加於至少二個彼此緊密接近的拉曼活性材料奈米粒子210的其中一者之上。
以下參見圖3，依據一實例，其顯示描繪於圖1A至1C任一 者中的感測應用設備100的一部分之簡化功能方塊圖300。概括而言，功能方塊圖300更詳細地描繪用以照射及偵測自一分析物310發出之拉曼散射光所執行的動作。
如圖3所示，其描繪一待測分析物310之分子被置放成接觸 以及緊密接近拉曼活性材料奈米粒子210。部分的分析物分子310亦被描繪成被捕獲於一對相鄰的拉曼活性材料奈米粒子210之間。依據一實例，照明源106係用以將一照明射束130導送至奈米粒子210的不同子集合的位置 上，從而使得測試能夠在拉曼活性材料奈米粒子210的各種不同位置之上被執行。照明射束130之置放可以透過各種不同方式中的任一種加以改變。 例如，其可以藉由改變射束自照明源106發出的角度而改變照明射束130之方向。舉另一實例，其可以製做一可移動反射鏡以改變導送照明射束130的方向。舉另外一實例，其可以相對於照明射束130移動平台112。
就任一方面而言，照明射束130照射分析物310之分子以及 拉曼活性材料奈米粒子210。拉曼活性材料奈米粒子210之照射致使其產生具有極大電場強度之熱點。在拉曼活性材料奈米粒子210彼此相當緊密接近，例如，在數奈米之內，或者彼此接觸，的位置處，熱點增加。產生於彼此相當緊密接近的拉曼活性材料奈米粒子210之間的電場，大體上增加了拉曼光被位於接觸位置或其附近的分析物分子310散射的比率。拉曼散射光，其被表示成箭號132，在頻率上被偏移，偏移的程度係分析物分子310之特別振動模式之特性。偵測器108係用以收集拉曼散射光132，且針對所收集的拉曼散射光132在設備100、100'、100"處或者在設備100、100'、100"外部之一裝置處執行頻譜分析。
雖然拉曼散射光132被描繪成朝向偵測器108導送，但拉曼 散射光132係朝多重方向發出。就此而言，部分的拉曼散射光132可以被導送至平台112，其在一實例之中包含一光波導(optical waveguide)。此外，照明源106可以使得照明射束130被導送至平台112。在此實例之中，由於分析物310耦合至經由平台112發出的照射130產生之一波導模式之消逝場，拉曼散射光132可以在平台112之中產生。此外，偵測器108可以被設置以偵測產生於平台112之中來自拉曼散射光132之波。就任一方面而言，偵測 器108可以包含一濾光鏡(filter)以濾除源自照明源106的光，舉例而言，透過使用一光柵式單色分光儀(grating-based monochrometer)或是干涉濾光鏡(interference filter)。偵測器108可以相對於奈米指狀結構116選替性地被設置於其他位置，例如，在圖3中的平台112下方。
偵測器108通常將偵測到的拉曼散射光132轉換成電氣信 號。在某些實例之中，偵測器108透過介面110將電氣信號輸出至用以處理該等電氣信號的其他組件(圖中未顯示)，諸如，一計算裝置。在其他實例之中，偵測器108配備處理能力。
以下參見圖4，依據一實例，其顯示一方法400之流程圖， 方法400針對被引入複數奈米指狀結構116上之一分析物310執行一感測應用。其應理解，方法400可以包含額外的動作，且描述於本文中的一些步驟可以在未脫離方法400的範疇下被移除及/或修改。
在方法400實施之前或者實施期間，可以直接或間接地將分 析物310引入奈米指狀結構116之上。舉例而言，在溶液/分析物的混合物配注至奈米指狀結構116上之前，分析物310可以與溶液120混合。舉另一實例而言，分析物310可以被容納於一第二貯存器160之中，且可以藉由一個以流體形式通連該第二貯存器160的第二配注器162投送至奈米指狀結構116之上。舉一另外之實例，分析物310可以是存在於感測應用設備100、100'、100"周圍的周遭環境之中，且可以透過感測應用設備100、100'、100"的外殼140中之一開孔引入。分析物310可以選替性地以許多其他方式引入。
在區塊402處，來自一貯存器102之一溶液120被配注至奈米指狀結構116之上。如上所述，以流體形式通連貯存器102之一配注器 104用以利用可控制之方式將溶液120配注至奈米指狀結構116之上。因此，舉例言之，配注器104可被用以將溶液120配注至奈米指狀結構116之一預定的子集合之上。附加性地，或者選替性地，配注器104可被用以將一特定容量之溶液120配注至奈米指狀結構116之上。
在區塊404處，熱被施加到溶液之上，使該溶液蒸發。在區 塊404之中，熱可以同時亦被施加到分析物之上。在一實例之中，其藉由照明源106施加熱。就此而言，照明源106執行蒸發溶液120與照射分析物310二個功能。在另一實例之中，其藉由一獨立的加熱元件(圖中未顯示)施加熱，例如，諸如電阻之加熱元件，提供於平台112之中，施加熱至基板114與奈米指狀結構116。該獨立的加熱元件亦可以包含，例如，一獨立光源、電源150、等等。
就任一方面而言，如上所述，奈米指狀結構116被設置成彼 此充分接近，以使得當溶液120、164(以及分析物310)由於作用於奈米指狀結構116上的毛細管力而蒸發之時，至少部分的奈米指狀結構116朝彼此牽引。此外，在分析物310存在於奈米指狀結構116牽引在一起期間的例子中，部分的分析物310可能被捕獲於相鄰的尖端之間或者位於尖端上的拉曼活性材料奈米粒子210之間，及/或被置於與該等相鄰的尖端或者位於尖端上的拉曼活性材料奈米粒子210之毗鄰處。
在區塊406處，奈米指狀結構116與分析物310被照明源106 照射，使得拉曼散射光132從分析物310發出。如上所述，提供於奈米指狀結構116尖端上的拉曼活性奈米粒子210，特別是彼此相當緊密接近或接觸的拉曼活性奈米粒子210，藉由集中或者以其他方式增強分析物310之中或 周圍的電磁場，增加從分析物310的拉曼散射光132之產出。
在區塊408處，拉曼散射光被偵測器108偵測到。
依據一實例，方法400反覆進行數次，以偵測從位於奈米指狀結構116之不同子集合上的部分分析物310發出的拉曼散射光132。在此實例之中，透過平台112之位置與照明射束130照射奈米指狀結構116的位置的其中至少一者之操控，上述的部分分析物310所在的位置在方法400每一次疊代執行之間可以有所變動。此外，依據一實例，測試該部分分析物310的不同奈米指狀結構116子集合可以已經在區塊402接收不同類型之溶液120、164。在此實例之中，如圖1C所示，不同的溶液120、164可以藉由不同的配注器104、162被配注至奈米指狀結構116的不同子集合之上。因此，舉例言之，與一分析物310及/或與不同類型之分析物310產生不同作用的不同溶液120、164可以在方法400的後續疊代執行期間沉積至奈米指狀結構116的不同子集合之上並被測試。
以下參見圖5，依據一實例，其顯示一種用於將代表偵測到的拉曼散射光之電氣信號傳送至一目標接收器的方法500之流程圖。其應理解，方法500可以包含額外的步驟，且描述於本文中的一些步驟可以在未脫離方法500的範疇下被移除及/或修改。
在區塊502處，在區塊408偵測到的拉曼散射光被轉換成電氣信號。此外，在區塊504處，該等電氣信號被傳送至一目標接收器，舉例而言，透過介面110。如上所述，介面110可以包含一無線介面，電氣信號透過其以無線之方式被傳送至目標接收器。依據一特別之實例，介面110通往一雲端環境，且該等電氣信號被提送至該雲端環境，以被諸如一電腦、 一伺服器等等之處理裝置擷取及處理。
闡述於方法400與500之中的部分或全部動作可以被含納成一個應用程式工具、程式、或者子程式，透過任何預定的電腦存取媒介。此外，方法400與500可以藉由複數機器可讀取指令實施而成，其可以是以各種形式存在，包括作用式及非作用式二者。舉例而言，其可以是以原使碼、目的碼、可執行碼或其他格式之形式存在。上述之任一者均可以被實施於一非暫時性電腦可讀取儲存媒體之中。非暫時性電腦可讀取儲存媒體之實例包含傳統電腦系統的RAM、ROM、EPROM、EEPROM、以及磁性或光學碟片，或者磁帶。因此其應理解，能夠執行上述功能的任何電子裝置均可以執行列舉於上的功能。
以下參見圖6，依據一實例，其顯示一感測應用設備600之示意圖，諸如任一種描繪於圖1A至1C中之感測應用設備100、100'、100"。設備600包含一控制器602，諸如一處理器、一ASIC、等等。控制器602被描繪成通連一配注器604、一照明源606、一偵測器608、一致動器610、一介面612、以及一電腦可讀取媒體614，位於一匯流排618上。舉例而言，匯流排618可以是EISA、PCI、USB、FireWire、NuBus、或者PDS。雖然圖中未顯示，但設備600可以包含額外的組件，諸如，顯示器、輸入介面等等，使用者可以透過其輸入指令及/或接收資訊。
電腦可讀取媒體614包含參與提供指令給控制器602以供其執行的任何適當媒體。例如，電腦可讀取媒體614可以是非揮發性媒體(non-volatile media)。如圖6所示，電腦可讀取媒體614之上儲存一組感測應用指令616。
該組感測應用指令616包含一組機器可讀取指令，用以控制 設備600組件之運作，實施分別描繪於圖4與圖5中的方法400與500。感測應用指令616因此可以包含用以控制配注器604將一溶液120配注至奈米指狀結構116上的指令、用以控制照明源606將熱施加至溶液120的指令、用以控制照明源606照射奈米指狀結構116以及一分析物之部分的指令、用以控制偵測器608偵測從該分析物發出之拉曼散射光的指令、以及用以控制致動器610改變基板114之位置與自照明源606發出之照明射束130的其中至少一者的指令。此外，感測應用指令616亦可以包含複數機器可讀取指令以控制偵測器608將偵測到的拉曼散射光轉換成電氣信號並將電氣信號傳送至一目標接收器。
在某些實例之中，上述之流程可以至少局部地被實施成數位 電子電路，或者電腦硬體、機器可讀取指令(包含韌體及軟體)，或者其任何組合，如上所述。
說明及例示於本文之中者係一實例及其若干變異。所使用的術語、敘述及例圖均僅係示範性質而非意味限制。請求標的之精神和範疇內可能存在許多變異，該標的以及其等效範疇係由以下的申請專利範圍所界定，除非另外敘明，否則其中的所有用語均應被理解成其最寬廣的合理涵義。
100‧‧‧感測應用設備
102‧‧‧貯存器
104‧‧‧配注器
106‧‧‧照明源
108‧‧‧偵測器
110‧‧‧介面
112‧‧‧平台
114‧‧‧基板
116‧‧‧奈米指狀結構
118‧‧‧箭頭
120‧‧‧溶液
122‧‧‧液滴
130‧‧‧照明射束
132‧‧‧拉曼散射光
140‧‧‧外殼
150‧‧‧電源
160‧‧‧第二貯存器
162‧‧‧第二配注器
164‧‧‧第二溶液

Claims (15)

  1. 一種用以執行感測應用的設備，該設備包含：一貯存器，用以容納一溶液；一配注器，用以自該貯存器配注該溶液；一基板，具有複數奈米指狀結構，設置以接收該被配注之溶液，其中該複數奈米指狀結構係可撓性的，使得該複數奈米指狀結構能夠相對於彼此被組構；一照明源，用以照射該接收之溶液、一被引入於該複數奈米指狀結構周圍的分析物、以及該複數奈米指狀結構，其中該分析物因被照射而自其發出光；以及一偵測器，用以偵測自該分析物發出之該光。
  2. 依據申請專利範圍第1項的設備，其中該複數奈米指狀結構包含各自的尖端，該設備另包含：拉曼活性材料奈米粒子，附加至該複數奈米指狀結構各自的尖端。
  3. 依據申請專利範圍第2項的設備，其中該複數奈米指狀結構係朝彼此塌折，使得附加至該複數奈米指狀結構的子集合的各自尖端之該拉曼活性材料奈米粒子變成彼此緊密接近或者彼此接觸。
  4. 依據申請專利範圍第1項的設備，其中該配注器係將該溶液配注至該複數奈米指狀結構之一子集合之上，且其中該複數奈米指狀結構被設置成彼此充分地緊密接近，以使得該複數奈米指狀結構之該子集合在該溶液蒸發時透過該溶液對該子集合中的該複數奈米指狀結構的毛細管力的作用而朝彼此塌折。
  5. 依據申請專利範圍第4項的設備，另包含：一加熱元件，用以增加該溶液蒸發之速率。
  6. 依據申請專利範圍第4項的設備，其中該照明源係用以施加熱至該複數奈米指狀結構之該子集合上的該溶液以實質增強該溶液之蒸發。
  7. 依據申請專利範圍第1項的設備，另包含：一可移動平台；且其中該基板被設置於該可移動平台之上，且其中該可移動平台係從一個自該配注器接收該溶液的位置被移動到一個被該照明源照射之位置。
  8. 依據申請專利範圍第1項的設備，其中該偵測器係用以產生代表該被偵測到的光之信號，該設備另包含：一無線介面，用以將該信號以無線的方式傳送至一目標接收器，該目標接收器位於該設備之一外殼之外部。
  9. 依據申請專利範圍第1項的設備，另包含：一第二貯存器，用以容納一第二溶液；以及一第二配注器，用以將該第二溶液自該貯存器配注至該複數奈米指狀結構之一第二子集合之上，該第二子集合不同於該配注器將該溶液自該貯存器配注至其上的該複數奈米指狀結構之一子集合，其中該照明源另照射該被配注之第二溶液且其中該偵測器係用以偵測自一被引入該複數奈米指狀結構之該第二子集合周圍之分析物所發出之光。
  10. 依據申請專利範圍第1項的設備，另包含：一外殼，封裝該貯存器、該配注器、該基板、該照明源、以及該偵測 器，其中該外殼之尺寸係供手持使用。
  11. 一種用以執行感測應用的方法，該感測應用係針對一被引入複數奈米指狀結構上的分析物，該方法包含：自一貯存器將一溶液配注至該複數奈米指狀結構之上，其中拉曼活性材料奈米粒子被附加至該複數奈米指狀結構各自的尖端；施加熱至該溶液以使該溶液蒸發，其中該溶液之蒸發致使該複數奈米指狀結構中之相鄰者之尖端透過該溶液作用於該等尖端上的毛細管力而朝彼此牽引，且其中該分析物之分子係下列至少一者：被捕獲於附加至已朝彼此牽引的各自尖端之該拉曼活性材料奈米粒子之間，以及被置於毗鄰該等拉曼活性材料奈米粒子處；照射該拉曼活性材料奈米粒子與該分析物以使得經過增強之拉曼散射光從該分析物發出；以及偵測該經過增強之拉曼散射光。
  12. 依據申請專利範圍第11項的方法，另包含：將該偵測到的拉曼散射光轉換成電氣信號；以及以無線的方式傳送該電氣信號。
  13. 依據申請專利範圍第11項的方法，其中照射該複數奈米指狀結構另包含以一照明源照射該複數奈米指狀結構，且其中施加熱至該溶液另包含從該照明源施加熱。
  14. 依據申請專利範圍第11項的方法，該方法另包含：自一第二貯存器將一第二溶液配注至該複數奈米指狀結構中之一第二子集合，其中施加熱至該溶液另包含施加熱至該第二溶液； 照射該拉曼活性材料奈米粒子與該複數奈米指狀結構之該第二子集合周圍之該分析物以使得經過增強之拉曼散射光從該複數奈米指狀結構之該第二子集合附近之該分析物發出；以及偵測從該複數奈米指狀結構之該第二子集合附近之該分析物發出之該經過增強之拉曼散射光。
  15. 一種非暫時性電腦可讀取儲存媒體，其上儲存機器可讀取指令，當被一處理器執行之時，針對被引入複數奈米指狀結構上之一分析物實施一種用以執行感測應用的方法，該機器可讀取指令包含用以執行下列步驟之程式碼：自一貯存器將一溶液配注至該複數奈米指狀結構之上，其中拉曼活性材料奈米粒子被附加至該複數奈米指狀結構各自的尖端；藉由一照明源施加熱至該溶液以使該溶液蒸發，其中該溶液之蒸發致使該複數奈米指狀結構中之相鄰者之尖端透過作用於該等尖端上的毛細管力而朝彼此牽引，且其中該分析物之分子係下列至少一者：被捕獲於附加至已朝彼此牽引的各自的尖端之拉曼活性材料奈米粒子之間，以及被置於毗鄰該等拉曼活性材料奈米粒子處；藉由該照明源照射該拉曼活性材料奈米粒子與該分析物以使得拉曼散射光從該分析物發出；藉由一偵測器偵測該拉曼散射光；將該偵測到的拉曼散射光轉換成電氣信號；以及傳送該電氣信號至一目標接收器。
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