TWI410621B - 微量生化感測元件及方法 - Google Patents

Description

微量生化感測元件及方法

本發明係關於微量生化感測，更特別關於其採用之基板及其結構。

環境中的毒化物污染種類相當多，而不同污染物的檢驗標準也有差異，例如：安非他命類藥物(500ppb)、大麻代謝物(50ppb)、巴拉刈(Paraquat，10ppb)、一品松(EPN，0.5ppb)、苯(5.0ppb)、瘦肉精(2.0ppb)、孔雀綠(Malachite Green，2.0ppb)、硝基呋喃(1.0ppb)、以及氯黴素(0.3ppb)等。除了少數一些毒化物可使用免疫法作檢測，大都需要層析質譜分析進行量化檢驗。免疫法缺點是不容易定量解析，檢測可信度不高，需要再用層析質譜進行定量分析。但是層析質譜分析的耗時且昂貴，限制了其時效性及檢驗的普及性。因此，開發高靈敏度、快速而低成本之生化感測器及檢測技術，一直是微量生化分析的努力目標。

拉曼散射(Raman scattering)光譜屬於分子振動光譜，其光譜半高寬遠小於螢光光譜，因此具有像指紋一樣的專一性(specificity)，可反映分子結構的特徵。然而一般拉曼散射的強度非常微弱，一般需約10⁶ ~10⁸ 個入射光光子才能產生一次非彈性碰撞的拉曼散射，因而難以進行微量偵測。藉由金屬奈米結構與入射電磁波的交互作用，在表面電漿子(Surface Plasmon,SP)共振條件下，可在奈米結構的表面產生極高的電場強度，會大幅增加分子拉曼散射的能力，稱之為表面增強拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)，可使拉曼光譜具有微量分子感測的能力。

在US 7,321,422及US 2007/0285657中，揭露了一種週期性結構形成於基板上方。然而此週期性結構上方不具備連續金屬膜，這將限制其對磁性分子或帶正電/負電離子之吸附量。

在US 7,242,470中，接露一種奈米結構於基板上。然而其表面並非週期性結構，導致訊號均勻度差且再現性不佳。

在US 2006/0119853中，揭露了商用基板。此基板採用金屬介電材料製作的光子晶體結構(201)及布拉格反射多層膜(301)提升靠近此結構的待測分子(211)之拉曼訊號。然而矽基板表面結構的製造需要利用物理或化學蝕刻方式，不但費時也提高成本。

綜上所述，目前仍需改良感測基板的設計以克服上述習知技藝存在的問題。

本發明提供一種微量生化感測元件，包括金屬基板；週期性金屬奈米結構，位於金屬基板上；介電層，位於週期性金屬奈米結構上；以及連續金屬膜，位於介電層上。

本發明亦提供一種微量生化感測的方法，包括提供上述之微量生化感測元件，用以吸附待測分子；以及提供雷射激發光源至待測分子，以產生拉曼散射訊號。

微量生化感測器可商品化最重要的幾個條件是高靈敏度、高穩定性、均勻性佳、可定量、使用方便且便宜等。要達到這些要求，需開發高表面電場強度且具週期性的金屬奈米結構，其材料不可太昂貴且製程不能太繁雜。本發明具有使拉曼訊號增強的奈米結構元件設計，可搭配簡易的奈米製程技術(例如奈米壓印製程及奈米電鑄方法)，製作出具有週期性奈米結構的金屬基板，並可利用連續金屬膜及介電層厚度來調控元件表面之電漿子共振波長，使其紅移或藍移。上述方法製成的元件證實具有微量生化待測物(<1ppb孔雀綠溶液)的檢測能力，且區域穩定性的變異值小於5%，及元件訊號強度隨時間穩定等優點。

如第1A圖所示，首先形成週期性金屬奈米結構11，其方法包含奈米壓印製程及奈米電鑄，見Microelectronic Engineering 85,1608-1612(2008)及Microelectronic Engineering 86,874-877(2009)。上述週期性奈米金屬結構11之材質可為鎳、鋁、金、銀、銅、或上述之合金。雖然第1A圖中的奈米結構之形狀為半球型，但亦可為圓柱型、弦波型、矩形等形狀，端視需要而定。在本發明一實施例中，週期性金屬奈米結構11的週期L₁ 介於50nm至1000nm。若週期L₁ 過短，則會造成製程難度提高甚至無法實施。若週期L₁ 過長，則無法搭配後續量測之雷射波長。在本發明一實施例中，週期性金屬奈米結構11之尺寸L₂ 與週期L₁ 之比例介於1:10至9:10之間。若奈米結構尺寸與週期之比例(L₂ /L₁ )過大，則會導致奈米壓印結構複製困難，但若L₂ /L₁ 過小，則無法有效增強元件表面之電漿子共振及待測分子之拉曼訊號。在本發明一實施例中，週期性金屬奈米結構11之高寬比(aspect ratio,H/L₂ )介於0.5至5之間。若奈米結構之高寬比過低，則奈米結構過於平坦而無法達到表面電漿子共振的效果。但若奈米結構之高寬比過高，則會大大提高奈米壓印或奈米電鑄製程的難度。

接著如第1B圖所示，將上述之週期性金屬奈米結構11形成於金屬基板10上，其形成方式可為無電鍍法(electroless plating)或奈米壓印法。金屬基板11可為鎳、鋁、金、銀、銅、或上述之合金。在本發明另一實施例中，亦可直接在基板10上直接以壓印或電鑄(鍍)等方法形成週期性金屬奈米結構11。不論採用何種方法，週期性金屬奈米結構11與金屬基板10之材質可相同或不同。若是採用兩步驟形成第1B圖所示之結構，則可針對兩元件的需求分別選擇不同材質及不同參數之金屬。舉例來說，週期性金屬奈米結構11需採用較薄的厚度以利奈米壓印及無電鍍法製程，及較昂貴的金屬以快速導熱，避免熱累積於表面造成局部性熱源而破壞週期性奈米結構。另一方面，金屬基板10可採用較厚的厚度以確保成品的機械強度，以及導熱性較差卻相對便宜的金屬以降低成本。

接著如第1C圖所示，順應性地(conformal)形成介電層13於週期性金屬奈米結構11上。介電層13可為折射率介於1.5至4的材料如二氧化矽(n=1.5)、氧化鋁(n=1.6)、氮化矽(n=2)、二氧化鈦(n=2.9)、或矽(n=4)等，其厚度約介於1至1000nm之間。若介電層13的厚度過厚，則會填平奈米結構而失去表面電漿子共振的效果。若介電層13的厚度過薄，則會導致表面電漿子共振效率變差。

接著如第1D圖所示，順應性地形成連續金屬膜15於介電層13上，即完成本發明之微量生化感測元件。連續金屬膜15可為貴金屬如金、銀、或鉑，過渡金屬如鐵、鈷、或鎳、或上述之合金。在本發明一實施例中，連續金屬膜15之厚度約介於1nm至200nm之間。若連續金屬膜15的厚度過厚，則因為已超過金屬的集膚深度(skin depth)太多，多餘的金屬厚度對於表面電漿子共波長的調制已無貢獻，太厚反而會使奈米結構深度容易變淺。若連續金屬膜15之厚度過薄，則不容易形成厚度均一的連續金屬膜。連續金屬膜15為本發明之重點，藉由施加電場或磁場至連續金屬膜15，可增加連續金屬膜對待測分子之吸附量，這在微量分析上有很大的幫助。若金屬膜為不連續的結構，則無法施加電場達到上述效果。

第1D圖之微量感測生化元件可用以量測氣體樣品或液體樣品中的待測分子。在本發明一實施例中，氣體樣品如空氣中的待測分子其濃度約介於100ppm至1ppb之間，而液體樣品如水或有機溶劑中的待測分子其濃度約介於100ppm至0.1ppb之間。以孔雀綠的水溶液樣品為例，本發明之量測極限可低至10^-10 M(約0.1ppb)。

由於本發明之元件其組成大部份為耐酸鹼及耐溶劑之金屬材質，因此液體樣品之溶劑可為pH介於2-12的水或有機溶劑。除此之外，金屬基板10及週期性奈米金屬結構11之材質均為導熱性佳的金屬，可避免照射雷射後產生的熱累積於元件表面並破壞週期性的奈米結構，進而增加使用壽命及表現效能。

當元件表面之連續金屬膜15吸附樣品中的待測分子後，可照射波長介於400nm至1200nm之激發雷射如固態雷射(355nm、532nm、1064nm)，氣體雷射(488nm、514nm、633nm)或半導體雷射(405nm、532nm、635nm、670nm、780nm、1064nm)等，使待測分子產生拉曼散射訊號。由於連續金屬膜15具有週期性的奈米結構，其表面電漿子共振的效果可增強上述拉曼訊號。此外，本發明可藉由調整介電層13及連續金屬膜15的厚度，使連續金屬膜15的表面電漿子共振波長與雷射波長一致，以進一步提高待測分子之拉曼訊號強度。減少介電層13的厚度及/或增加連續金屬膜15的厚度會使表面電漿子共振波長藍移(波長變短)。反之，增加介電層13的厚度及/或減少連續金屬膜15的厚度會使表面電漿子共振波長紅移(波長變長)。另一方面，樣品中介質(media)的折射率也會影響元件表面電漿子共振的波長。舉例來說，提高待測分子的介質折射率(ex.由空氣換成水)，其電漿共振子紅移(波長變長)。

與習知技藝相較，本發明之微量生化感測元件具有下述優點。首先，基板為耐酸鹼及耐溶劑之金屬材質，因此可廣泛應用於多種介質。次者，基板的導熱性極佳，可有效改善雷射產生的熱破壞週期性奈米結構的問題，並增加元件使用壽命。第三，可藉由調整介電層及連續金屬膜的厚度，增加或減少元件表面電漿共振子的波長，使其與不同的雷射波長一致而增強拉曼訊號。如此一來，可採用相同的週期性奈米結構而不需調整其參數。最後，可藉由施加電場及/或磁場至連續金屬膜，增加待測分子的吸附量以提高訊號強度。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數實施例配合所附圖示，作詳細說明如下：

【實施例】

實施例1

以奈米壓印法形成週期性鎳奈米結構後，再以無電鍍鎳法將奈米結構翻製至鎳基板上。周期性鎳奈米結構之形狀為弦波形，週期(L₁ )為300nm，尺寸(L₂ )為150nm，高度(H)為150nm，而高寬比(H/L₂ )為1。接著以化學氣相沉積法順應性地沉積400nm之二氧化矽層於週期性鎳奈米結構上，再以濺鍍法順應性地沉積20nm之連續銀膜於二氧化矽層上。至此則形成具有週期性奈米結構之連續銀膜於鎳基板上，且兩者間夾設有二氧化矽層。將實施例1之元件分別置於不同環境介值中(空氣、水)中，量測其不同波長的吸收率。如第2圖之虛線圈21所示，將元件自折射率較高的水中移至折射率較低的空氣中，其表面電漿子共振吸收峰值因介質折射率減少而藍移。另一方面，虛線圈23屬於薄膜干涉造成的吸收光譜。

比較例1

與實施例1類似，差別在於連續銀膜係直接形成於週期性鎳奈米結構上，兩者之間沒有二氧化矽層。取實施例1及比較例1之元件置於水中，測其不同波長的吸收值。如第3圖之虛線圈31所示，實施例1之二氧化矽層可使元件的吸收峰紅移，可更貼近入射雷射波長(633nm)而提高待測分子之拉曼訊號。

由上述可知，本發明在相同的週期性奈米結構上，改變介電層的厚度即可改變元件的吸收峰波長，以搭配不同波長的雷射。

比較例2

與比較例1類似，差別在於基板及週期性奈米結構之材質換為聚乙烯對苯二甲酸酯(PET)，其餘週期性奈米結構之參數如週期及高寬比等均相同。取實施例1及比較例2之元件，量測待測分子(羅丹明6G,R6G)水溶夜，監測拉曼特徵峰值(1365cm^-1 )訊號強度隨雷射光照射時間的變化(0~60秒)。如第4圖所示，實施例1之樣品訊號可穩定的延續至60秒後，而比較例2之訊號在10秒內即大幅衰退。由外觀可知，比較例2之元件表面產生氣泡。由上述可知本發明之元件可有效散熱而不會破壞元件表面的週期性奈米結構，因此可維持訊號穩定。比較例2之基板為耐熱及導熱較差的PET材質，只要雷射照射時間拉長就會破壞基板上的奈米結構，因而使該元件失效。

實施例2

與實施例1類似，差別在於連續銀膜之厚度由20nm改為25nm，其餘週期性鎳奈米結構之參數及二氧化矽層之厚度等均相同。取實施例1及實施例2之元件置於水中，其吸收光譜如第5圖所示。如第5圖之虛線圈51所示，元件之表面電漿子共振吸收峰值因銀膜變厚而藍移。另一方面，虛線圈53屬於薄膜干涉造成的吸收光譜。

由上述可知，本發明在相同的週期性奈米結構上，改變金屬連續膜的厚度即可改變元件的吸收峰波長，以搭配不同波長的雷射。

實施例3

取四個實施例1所述之週期性鎳奈米結構，再以化學氣相沉積法分別順應性地沉積50nm、100nm、150nm、及200nm之二氧化矽層於不同的週期性鎳奈米結構上。接著以濺鍍法順應性地沉積25nm之連續銀膜於二氧化矽層上。至此則形成具有週期性奈米結構之連續銀膜於鎳基板上，且兩者間夾設有不同厚度之二氧化矽層。將實施例3之元件分別置於不同環境介值中(空氣、水)中，量測其不同波長的吸收率。如第6圖所示，表面電漿子共振波長會隨著介電層增厚而紅移，意即可藉由改變介電層厚度微調表面電漿子共振波長。此外，表面電漿子共振吸收峰值會因介質折射率減少(由水移至空氣中)而藍移。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，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．．．金屬基板

11．．．週期性金屬奈米結構

13．．．介電層

15．．．連續金屬膜

21、23、31、51、53．．．虛線圈

第1A-1D圖係本發明一實施例中，形成微量生化感測元件之流程圖；

第2圖係本發明一實施例中，微量生化感測元件於不同介質中的吸收光譜比較圖；

第3圖係本發明一實施例中，具有介電層與不具有介電層之微量生化感測元件於水中的吸收光譜比較圖；

第4圖係本發明一實施例中，基板材質為金屬或塑膠之微量生化感測元件照射雷射之拉曼訊號時間穩定性比較圖；

第5圖係本發明一實施例中，不同厚度之金屬連續膜之微量生化感測元件於水中的吸收光譜比較圖；以及

第6圖係本發明一實施例中，不同厚度之介電層之微量生化感測元件於水中及空氣中的吸收光譜比較圖。

10．．．金屬基板

11．．．週期性金屬奈米結構

13．．．介電層

15．．．連續金屬膜

Claims (19)

1. 一種微量生化感測元件，包括：一金屬基板；一週期性金屬奈米結構，位於該金屬基板上；一介電層，順應性地位於該週期性金屬奈米結構上；以及一連續金屬膜，順應性地位於該介電層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，該金屬基板與該週期性金屬奈米結構之材質相同或不同。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，其中該金屬基板包括鎳、鋁、金、銀、銅、或上述之合金。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，其中該週期性金屬奈米結構包括鎳、鋁、金、銀、銅、或上述之合金。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，其中該週期性金屬奈米結構之形狀包括半球型、圓柱型、弦波型、或矩型。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，其中該週期性金屬奈米結構之週期介於50nm至1000nm之間。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，其中該週期性金屬奈米結構之結構大小為0.1至0.9週期尺寸。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件， 其中該週期性金屬奈米結構之高寬比介於0.5至5之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，其中該介電層之厚度介於1nm至1000nm之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，其中該介電層包括折射率(n)介於1.5至4的材料。
11. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，其中該介電層包括二氧化矽(n=1.5)、氧化鋁(n=1.6)、氮化矽(n=2)、二氧化鈦(n=2.9)、或矽(n=4)。
12. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，其中該連續金屬膜之厚度介於1nm至200nm之間。
13. 如申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，其中該連續金屬膜包括金、銀、鉑、鐵、鈷、鎳、或上述之合金。
14. 一種微量生化感測的方法，包括：提供申請專利範圍第1項所述之微量生化感測元件，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。
15. 如申請專利範圍第14項所述之微量生化感測的方法，更包括施加一電場及/或一磁場至該連續金屬膜，以增強該微量生化感測元件對該感測分子之吸附。
16. 如申請專利範圍第14項所述之微量生化感測的方法，其中該待測分子之介質的pH值介於2至12之間。
17. 如申請專利範圍第14項所述之微量生化感測的方法，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。
18. 如申請專利範圍第14項所述之微量生化感測的方法，其中該待測分子之介質為空氣，其濃度介於100 ppm至1 ppb。
19. 如申請專利範圍第14項所述之微量生化感測的方法，更包括調整該連續金屬膜及/或該介電層之厚度，以增強拉曼散射訊號強度。