TWI418785B - 將金屬奈米粒子改質以改善表面增進拉曼光譜術（ｓｅｒｓ）的分析物偵測效果 - Google Patents

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Description

將金屬奈米粒子改質以改善表面增進拉曼光譜術(SERS)的分析物偵測效果 相關申請案
本發明係有關2004年，3月30日申請的美國專利申請案案序號10/814695，發明名稱「將金屬表面改質以使用表面增進拉曼散射法(SERS)來進行生物分子偵測」、2003年，12月29日申請的美國專利申請案案序號10/748,336，發明名稱「當作分析物偵測的SERS標記的複合有機－無機奈米粒子(COIN)」、2004年，8月11日申請的美國專利申請案案序號10/916,710，發明名稱「流體系統中的分析物之多重偵測」、2004年，8月26日申請的美國專利申請案案序號10/927,996，發明名稱「使用拉曼表面掃描的生物分子分析」及2004年，12月30日申請的美國專利申請案案序號11/027,470，發明名稱「使用拉曼表面掃描的生物分子分析」，在此將藉由對照將彼等併入本文。
本發明係有關帶正電的SERS活性粒子，其一般為奈米粒子或奈米簇，及製造帶正電的奈米粒子/奈米簇的方法，及使帶負電的奈米粒子/奈米簇變正的方法。此外，亦探尋分析物與改質表面之間的疏水性及專一性交互作用(包括共價鍵結)以改善不同類型分析物的SERS信號。
偵測且識別微量分析物的能力幾乎在每種科學領域中都變得越來越重要，範圍從地表下的水中每10億份的污染物份數分析到血清中的癌症治療藥物分析。拉曼光譜術為能提供豐富光學光譜資訊的一種分析技術，且就執行定量及定性分析而言已證明表面增進拉曼光譜術(SERS)為最靈敏的方法之一。拉曼光譜，類似紅外線光譜，由對應被分析樣品(分析物)特有的分子振動之波長分布帶構成。在實施拉曼光譜術時，將來自光源的光束，一般為雷射，聚焦在該樣品上藉以產生沒彈性的散射輻射，其係光學集中且導入偵測器將撞到光子的能量轉變成電子信號強度的波長分散的光譜儀。比起通常具有數十奈米至數百奈米半峰寬的單峰之螢光光譜，拉曼光譜具有小到數奈米半峰寬的多鍵結構相關峰。
在許多可用於化學結構分析的分析技術中，拉曼光譜術SERS技術最吸引人的為能從小的光學聚焦區域或偵測腔提供豐富的結構資訊。該技術使用，舉例來說，以基因偵測及DNA基因線狀排列作圖為基礎的DNA基因探針。有些偵測方法使用奈米金屬基材，通常為粒子，當作SERS－活性平台。表面增進拉曼基因(SERSGen)探針可經由雜交至與這些探針互補的DNA序列而用於偵測DNA靶。該探針一般不需使用放射性標記且具有能大幅提供靈敏度及選擇性的潛力。
再者，與不含SERS技術提供的增強之分子的拉曼信號相比，SERS技術可獲得106 至1014 倍拉曼信號增強，且還可用於單分子偵測靈敏度。此巨大的增進因子主要有助於增強用於SERS技術的粒子上所沈積之金屬曲面上的電磁場。尖銳邊緣上及聚結物之間的接面處也已見到此增進因子。儘管據顯示使用個別金屬膠體時電磁增強作用(EME)與金屬表面粗糙度有關，但是SERS由聚結膠體來偵測一般都最為有效。
由於SERS的益處，所以使用SERS來偵測生物分子都相當有興趣，特別是由於其高靈敏度及低偵測極限。單分子偵測就例如Adenine及Rhodamine 6G(R6G)等特定化合物而言已經達成。然而，就非常大部分的分子而言仍必須在未來改良該技術的靈敏度。據相信SERS的強大增強效果歸因於例如銀及金等特定金屬粒子表面附近的電磁場放大。然而，該電磁場增強將隨著離表面的距離增加而急遽衰退。因此，為了達到強大的增強效果，重要的是使分子儘可能接近表面。因此對基材具有低吸收親和力的分子經由SERS來提供增強效果可能具有低的SERS信號。
銀及金膠體粒子當過用於SERS技術的粒子之較佳基材。然而，通常來自該SERS活性粒子的奈米粒子或奈米簇一般都經由產生SERS活性粒子的常用方法使該SERS活性粒子表面上帶負電而製備。因此，具有一或多個負電荷的分析物與類似陽離子性分子相比通常具有較低的SERS信號。本發明的具體例介紹數種將該SERS活性粒子基材表面改質以促進分析物吸收且藉以使該等分子儘可能接近該SERS活性粒子表面的方法。
本發明揭示為一種SERS活性粒子，其具有含金屬的粒子及在該含金屬的粒子上的陽離子性塗層，其中該SERS活性粒子帶正電。而且，揭示一種SERS活性粒子，其具有含金屬的粒子及非金屬分子，其中該含金屬的粒子係衍生自該非金屬分子。此外，揭示數種將SERS活性粒子的奈米粒子表面改質之方法及將該SERS活性粒子與分析物之間的交互作用改善之方法。
本發明係有關帶正電的SERS活性粒子，其一般為奈米粒子或奈米簇，及製造帶正電的奈米粒子/奈米簇的方法，及使帶負電的奈米粒子/奈米簇變正的方法。此外，亦探尋分析物與改質表面之間的疏水性及專一性交互作用(包括共價鍵結)以改善不同類型分析物的SERS信號。
生物樣品經常含有數千或甚至更多類型生物分子且為了確認疾病臨床診斷必須測量多種分析物。現在，使用相同類型的奈米粒子來偵測所有種類的分析物分子而不管其分子結構。偵測極限或指定的分析物係在粒子製備期間將銀粒子品質最適化而予以改善。本發明的具體例令SERS奈米粒子或奈米簇根據分析物的本質被改質以產生比先前使用同類型SERS奈米粒子或奈米簇可達者高的信號強度及低的偵測極限。本發明的具體例也能由單一樣品及單一試驗來進行多個分析物偵測，臨床診斷及生物醫療研究可能對彼感興趣。
分析物包括核酸(DNA及RNA)，彼可經由雜交，也就是說，互補性鹼基配對而形成雙股分子。核酸雜交的專一性使得分子及/或奈米材料結合事件的偵測可經由電子讀取帶電靶分子(舉例來說，DNA、RNA、蛋白質)與互補性分子探針(舉例來說，DNA、RNA、抗體)接附於電極(舉例來說，例如Au、Pt)的化學改質奈米材料(舉例來說，以DNA功能化的奈米碳管、奈米線、奈米粒子)之交互作用所引起的偏極化改變而進行。互補性鹼基配對的專一性也可在同一實驗中在DNA晶片(亦稱為DNA陣列)同時進行數千次雜交。
分子探針係經由表面功能化技術固定在可個別定址的電極陣列表面上。電極令偏極化改變能被電子偵測到。本發明的具體例之聚合物陣列可為包含排列在微型支撐物上之緻密格點(通常稱為元件或墊子)的DNA陣列(在共享鹼基上成群的DNA探針)。各點可表示不同的基因。
DNA晶片中的探針通常與經由DNA複製衍生自特定細胞類型的RNA分子複合混合物(來源)所產生複合RNA或cDNA靶雜交。此靶的組成反映該來源中個別RNA分子的量。該探針與該靶之間雜交之後從該DNA晶片的DNA點的結合事件所產生的信號強度表示該來源的相對基因表現量。
該DNA晶片可用於樣品(例如，健康組織對照患病組織)之間的不同基因表現以研究(例如，與致病因子(infectious agent)有關的)不同專一性基因或基因多形性及表現分析。特別是，該DNA晶片可用於研究與不同疾病有關的不同基因表現以找到這些疾病的成因且能正確的治療。
運用本發明的具體例，將可發現基因的核酸專一性片段，即，在所檢查的基因中發現具有特定鹼基順序之處。此偵測可經由使用短的合成組合單鏈互補多核酸－該核酸的專一性片段將經由A－T或G－C鍵接附(雜交)至彼而以鏡面順序組織的鹼基鏈－所構成的診斷多核酸(diagnostic polynucleotide)來執行。
本發明的具體例之實行可使用，除非另行指明，傳統有機化學技術、聚合物技術、分子生物學(包括重組技術)、細胞生物學、生化及免疫學，彼等都在熟於此藝之士的能力範圍以內。此等傳統技術包括聚合物陣列合成、雜交、接合(ligation)、使用標記的雜交偵測。適當技術的具體例示可對照下列本文的實施例。然而，其他等效傳統程序當然也可使用。
如說明書及申請專利範圍中所用的，單數形式「一」及「該」包括多數參考物，除非內文清楚另行指明。舉例來說，措辭「一陣列」可包括多陣列，除非內文清楚另行指明。
「陣列」為一群故意產生的分子，該分子可任意合成地或生物合成地製備。在此陣列中的分子可能彼此相同或不同。該陣列可假定是不同的形式，例如，可溶性分子庫；繫於樹脂粒的化合物庫、氧化矽晶片或其他固體支撐物。該陣列可任意為巨陣列或微陣列，取決於該陣列上的樣品點尺寸。巨陣列一般含有約300微米或更大的樣品點尺寸且可藉由凝膠及污漬掃描器輕易地成像。微陣列一般含有小於300微米的點尺寸。
「固體支撐物」、「支撐物」及「基材」表示具有剛性或半剛性表面之一材料或一群材料。在一些方面中，該固體支撐物之至少一表面實質上為平的，但是一些方面中其以，舉例來說，孔、升起區域、針或蝕刻凹槽等物理地分開不同分子的合成區可能較為理想。在特定的方面中，該固體支撐物將採取珠粒、樹脂、凝膠、微球或其他幾何結構的形式。
措辭「分析物」、「靶」或「靶分子」表示感興趣而要被分析的分子且可為任何分子或化合物。該分析物可為拉曼活性化合物或拉曼非活性化合物。再者，該分析物可為有機或無機分子。分析物有些例子可包括小分子、生物分子或例如但不一定限於生物活性的小分子、核酸及其序列、肽及多肽等的奈米材料，以及利用生物分子或例如化學改質奈米碳管、奈米碳管束、奈米線、奈米簇或奈米粒子等能結合至分子探針之小分子作化學改質的奈米結構材料。該分析物分子可以螢光標記DNA或RNA。
分析物可以呈固、液、氣或蒸氣相。然「氣或蒸氣相分析物」意指存在於，舉例來說，液體頂部中、周遭空氣中、呼氣樣品中、氣體中或前述任何者的組合之分子或化合物。要明白該氣體或蒸氣相的物理狀態可藉由壓力、溫度及藉由鹽的存在或添加而影響液體表面張力而改變。
該措辭分析物進一步包括例如下文定義的多核酸等的多核酸分析物。這些包括m-RNA、r-RNA、t-RNA、DNA及DNA-RNA雙重體等等。該措辭分析物也包括屬於多核酸結合劑的受體，例如，舉例來說，肽核酸(PNA)、限制性內切酶、活化劑、抑制子、核酸酶、聚合酶、組織蛋白、修補酶及化學治療劑等。
該分析物可為例如主體體液等的樣品中直接找到的分子。該樣品可直接檢查或可預先處理使該分析物更容易偵測。再者，感興趣的分析物可經由偵測例如與感興趣的分析物互補之專一性結合對部分等能證實感興趣的分析物的試劑而測定，當感興趣的分析物存在樣品中時才偵測得到該專一性結合對部分的存在。因此，能證實該分析物的試劑將變成化驗中偵測到的分析物。該體液可為，舉例來說，尿、血液、血漿、血清、唾液、精液、大便、痰、腦髓液、淚水及黏液等。
該分析物可進一步為專一性結合對(sbp)的一員且可為配體，其為單價(單抗原決定表位(monoepitopic))或多價(多抗原決定表位)，且為共享至少一個共同的抗原決定表位或決定基的單一化合物或多種化合物。該分析物可為例如細菌等細胞或帶有例如A、B及D等等血型抗原或HLA抗原的細胞之一部分或微生物，例如，細菌、真菌、原生動物或病毒。而且，該分析物可帶電。專一性結合對之一員(「sbp成員」)為二不同分子中之一者，具有表面上或洞孔中之一區域，該洞孔明確地結合至且藉以定義成與其他分子的特定空間及極性組織互補。該專一性結合對的成員指的是配體及受體(反配體)或分析物及探針。因此，探針為明確接合分析物的分子。這些通常都是例如抗原－抗體等的免疫對的成員，但是例如維生素H－抗生物性蛋白、激素－激素受體、核酸雙重體、IgG－蛋白A、例如DNA－DNA及DNA－RNA等多核酸對並非免疫對而是包括在本發明及該sbp成員的定義中。
生物分析物也可為呈組織或不規則形式的分子或化合物，例如細胞、病毒、細菌及真菌等等，之複合體。
該措辭「探針」或「探針分子」表示結合至用於靶分析的靶分子之分子。該探針或探針分子一般，但不一定具有習知的分子結構或序列。該探針或探針分子一般，但不一定接附至該陣列的表面。該探針或探針分子通常為核酸、寡核酸或蛋白質，包括，舉例來說，沈積在該陣列上的cDNA或預合成多核酸。探針分子為能進行與靶分子的結合或分子組織事件的生物分子。(在一些參考資料中，措辭「靶」及「探針」係定義成與在此提供的定義相反。)該多核酸探針僅需要基因的序列資訊，藉以可利用有機體的整組基因序列。在cDNA陣列中，可能會由於數個基因族群的成員當中序列相同而有回交雜種(cross－hybridization)。多核酸陣列可經明確設計以區分基因族群的高同型成員及該基因的拼接形式(外顯子專一性)。本發明具體例的多核酸陣列也可經設計以便能偵測突變及單核酸多形性。探針或探針分子可為捕捉分子。
措辭「捕捉分子」一般為，但不一定，結合至靶或靶分子。該捕捉分子通常為核酸、寡核酸或蛋白質，但也可為小分子、生物分子或例如但不一定限於生物活性的小分子、核酸及其序列、肽及多肽等的奈米材料，以及利用生物分子或能結合至靶分子之小分子，該小分子係結合至探針分子以形成該捕捉分子、靶分子及探針分子的複合體。該捕捉分子可為螢光標記的DNA或RNA。該捕捉分子可能不能結合至剛才的靶分子或剛才的探針分子。
措辭「雙官能基鏈接基」表示具有至少兩個可明確共價改質的化學基團或部分，例如羧基、胺基、硫醇基、醛基、環氧基，的有機化學化合物；這些基團之間的距離等同於或大於5個碳鍵。
措辭「晶粒」、「聚合物陣列晶片」、「DNA陣列」、「陣列晶片」、「DNA陣列晶片」、「生物晶片」或「晶片」可交換使用且表示一群排在共享基材上的大量探針，該共享基材可為矽晶圓的一部分、尼龍條或載玻片。
措辭「分子」一般表示由二或更多個原子構成的化學物質且包括在此說明的巨分子、隻分子或聚合物。然而，包含單分子的陣列，相對於巨分子或聚合物，也在本發明具體例的範圍以內。措辭「雙分子」表示活有機體一部分的任何有機分子。「雙分子的複合體」表示由二或更多類型雙分子構成的結構。雙分子複合體的例子包括細胞或病毒粒子。細胞可包括，舉例來說，細菌、真菌、哺乳動物細胞。
「活化基」表示接附至特定化學官能基或反應點時，使該點與第二化學官能基或反應點朝共價鍵形成方向更具反應性的基團。
「聚合物刷」通常表示包含接附至基材表面的聚合物鏈之聚合物膜。該聚合物刷可為包含在該聚合物鏈一或多個預定區的例如羥基、胺基、羧基、硫醇、醯胺、氰酸酯、硫代氰酸酯、異氰酸酯及異硫代氰酸酯基等的功能化膜或其組合。本發明具體例的聚合物刷(polymeric brush)能在彼上接附或逐步合成巨分子。
「鏈接」分子表示前述任何分子且較佳應為約4至約40個原子長以提供充分的暴露。該鏈接分子可為，舉例來說，芳基乙炔、含有2至10個單體單元的乙二醇寡聚物、二胺、二酸、胺基酸及其組合。或者，該鏈接劑可與被合成者為相同分子類型(即，初生聚合物)，例如多核酸、寡核酸或寡糖。
在此所用的「單體」表示用於形成聚合物的那些單體。無論如何，單體的意義從運用彼的內文將清楚可知。指定聚合物或巨分子中的單體可為相互相同或不同。無論分子量，單體可為小或大分子。再者，各單體可為合成之後加以改質的受保護組份。
「巨分子」或「聚合物」包含共價接在一起的二或更多個單體。該等單體可一次一個或以多單體串接在一起，普通稱為「寡聚物」。因此，舉例來說，一單體及5個單體一串可接合形成6個單體的巨分子或聚合物。同樣地，50個單體一串可與100個單體一串接在一起形成150個單體的巨分子或聚合物。在此所用的措辭聚合物包括，舉例來說，核酸、多核酸、多糖、寡糖、蛋白質、多肽、肽、磷脂及肽核酸(PNAs)。該肽類包括具有α－、β－或ω－胺基酸的肽。此外，聚合物包括習知藥物共價鍵結至上述任何者的雜聚合物、聚胺基甲酸酯、聚酯、聚碳酸酯、聚脲、聚醯胺、聚乙烯亞胺、聚環芳硫醚、聚矽氧烷、聚醯亞胺、聚醋酸酯或其他根據此揭示內容回顧顯而易見的聚合物。
在此所用的「奈米材料」表示在將近1至500奈米範圍的長度尺度下具有原子、分子或巨分子層級的尺寸之結構、裝置或系統。較佳地，奈米材料由於尺寸而具有多種性質及功能且可以原子層級操縱且控制。奈米材料的例子包括奈米粒子、奈米碳管及富勒烯(fullerene)。「奈米碳管」表示具有圓柱或超環面形的富勒烯分子。「富勒烯」表示具有60或更多個碳原子的空籠構成的大分子之碳形式。
「奈米粒子」為尺寸以奈米度量的微觀粒子。其係定義成具有至少一尺寸<100奈米的粒子。由半導材料構成的奈米粒子也分類成量子點。奈米粒子當其能在巨大分子與原子或分子結構之間有效地架橋時在科學上將非常感興趣。巨大材料不管尺寸為何應具有固定的物性，但在奈米尺度下經常都不是這樣的情況。奈米粒子經常證實可見到例如半導體粒子中的量子侷限、一些金屬粒子中的表面電漿子共振及磁性材料中的超磁力件用等的尺寸相關性質。在尺寸範圍小的那一端，奈米粒子經常被稱為奈米簇。金屬、介電質及半導體奈米粒子都可形成，還有混合結構(例如，芯－鞘奈米粒子)。奈米球、奈米棒及奈米杯僅為已長成形狀當中的幾種。半導體量子點及奈米晶體為奈米粒子的類型。此奈米尺寸的粒子係用於生物醫療應用中當作藥物載劑或成像劑。
措辭「核酸」包括去氧核酸及其類似物。這些類似物為具有與天然產出的核酸共同的一些結構特徵之分子，所以當併入多核酸序列時，彼等能與溶液中的互補性多核酸雜交。通常，這些類似物係經由替代及/或改質鹼基、核糖或磷酸二酯部分而衍生自天然產出的核酸。該等變化可訂製以安定化或去安定化雜種形成，或增進與預期的互補性多核酸序列的雜交專一性，或增進該多核酸的安定性。
在此所用的措辭「多核酸」或「核酸」表示任何長度核酸的聚合形式，核糖核酸或去氧核糖核酸，其包含嘌呤及嘧啶鹼或其他天然、化學或生物化學改質、非天然或衍生的核酸鹼。本發明具體例的多核酸包括去氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)或可從天然來源分出來，重組製造或人為合成的去氧核糖核酸DNA複製物(cDNA)的序列。本發明具體例的多核酸的進一步例子可為聚醯胺多核酸(PNA)。該多核酸及核酸可以單股或雙股的形式存在。如RNA或DNA中通常可見到，該多核酸的骨幹可包含糖類及磷酸酯基，或經改質或經取代的糖或磷酸酯基。多核酸可包含經改質的多核酸，例如甲氧基化核酸及核酸類似物。核酸序列可經由非核酸成分來打斷。例如核酸及多核酸等由核酸構成的聚合物在此也可稱為「核酸聚合物」。
「寡核酸」為具有2至20個核酸的多核酸。
當感興趣的巨分子為肽時，胺基酸可為任何胺基酸，包括α、β或ω－胺基酸。當該胺基酸為α－胺基酸時，可任意使用L－光學異構物或D－光學異構物。此外，本發明具體例亦預期非天然的胺基酸，舉例來說，β－丙胺酸、苯基胺基醋酸及高精胺酸。這些胺基酸皆為此技藝中眾所周知者。
「抗體」為在血液中的不同主體或物質當中任何者，其在拮抗作用中對有害的外來物質起作用，例如毒素或產生毒素的細菌。正常血清顯然含有不同抗體，且毒素或外來細胞的加入也會造成其專一性抗體的發展。舉例來說，一抗體為B細胞表面上的Y－形蛋白質，其回應抗原刺激物，例如細菌、病毒、寄生蟲或移植器官，而必泌至血液或淋巴中且藉由專一地接合至免疫球蛋白而消除抗原的效力。
「肽」為單體為胺基酸且經由醯胺鍵接在一起的聚合物，或者稱為多肽。在說明書的內文中，要明白該胺基酸可為L－光學異構物或D－光學異構物。肽為二或更多個胺基酸單體長，且經常為多於20個胺基酸單體長。
「蛋白質」為經由肽鍵鏈接的胺基酸長聚合物且其可由二或更多個多肽鏈組成。更明確地說，「蛋白質」表示由以專一性順序，舉例來說，由該蛋白質基因編碼的核酸鹼基序列決定的順序，的一或多個胺基酸鏈組成的分子。蛋白質為該體細胞、組織及器官的結構、功能及調節所必需的，且各自蛋白質具有獨特的功能。例子為激素、酶及抗體。
「碳水化合物」為通常按形成水的比例具有通式Cn (H2 O)n 之含碳、氫及氧的化合物。碳水化合物在化學上也可稱為碳、氫及氧的中性化合物。碳水化合物主要為糖及澱粉，在一起構成當作身體能量來源(卡路里)的三大類型營養物之一。碳水化合物以例如糖等的簡單形式及例如澱粉和纖維等的複雜形式呈現。身體分解大部分糖及澱粉變成葡萄糖，身體可供入其細胞的簡單糖。複雜碳水化合物衍生自工廠。複雜碳水化合物的飲食攝取可在其取代血脂肪時降低血膽固醇。碳水化合物分成單、二、三、多及雜糖。最小的碳水化合物為單糖，例如葡萄糖，而例如澱粉、纖維素及肝醣等的多糖可能大且甚至長度未定。
「脂質」係定義為溶於醇但不溶於水之例如脂肪、油或蠟等的物質。脂質含有碳、氫及氧但是比例上具有遠比碳水化合物少的氧。脂質為活體細胞的重要部分。與碳水化合物及蛋白質一起，脂質為植物及動物細胞的主要構成要素。膽固醇及三酸甘油脂皆為脂質。脂質容易儲存在體內。彼等用作燃料來源且為細胞結構的重要構成要素。脂質包括脂肪酸、中性油脂、蠟及類固醇(像是可體松)。化合物脂質(脂質與另一種化學化合物複合)包含脂蛋白、醣脂類及磷脂。
「抗原」為能引起抗體產生的物質。舉例來說，當抗原進入身體時，將刺激抗體產生。抗原包括毒素、細菌、外來血液細胞及移植器官細胞。
「序列」表示巨分子內的特定單體排列且在此指的是巨分子的序列。
措辭「雜交」表示二單股多核酸非共價地結合而形成安定的雙股多核酸；三股雜交在理論上也可行。所得的(通常)雙股雜交為「雜種」。形成安定雜種的多核酸族群比例在此指的是「雜交程度」。舉例來說，雜交表示探針多核酸(例如，本發明的多核酸，其可包括取代、刪除及/或加成)與專一性靶多核酸(例如，分析物多核酸)之間的雜種形成，其中該探針優先雜交至專一性靶多核酸且實質上未雜交至由並非實質上與靶多核酸互補的序列所組成之多核酸。然而，熟於此藝之士將會明白預期專一性雜交至靶多核酸的多核酸最小長度取決於幾個因素：G/C含量、誤配鹼基的設置(若有的話)、與靶多核酸的族群相比該序列的唯一性及多核酸(例如甲基膦酸酯骨幹及磷硫代羥酸等等)的化學本質。
進行多核酸雜交化驗的方法在此技藝中已經發展良好。雜交化驗程序及條件根據應用而變且依照此技藝中習知的一般結合法作選擇。
要明白兩種單股多核酸雜交的能力取決於例如其互補程度及雜交反應條件的嚴格程度等的因素。
「配體」為經由特定受體來辨認的分子。可經由本發明來研究的配體例子包括，但不限於，用於細胞膜受體的促效劑及拮抗劑、毒素及毒液、病毒抗原決定基、激素、激素受體、肽、酶、酶基質、輔因素、藥物(例如，鴉片及類固醇等等)、凝集素、糖、多核酸、核酸、寡糖、蛋白質及單株抗體。細胞或細胞衍生分子的配體，其可包括已知及未知配體及未接附至其他固體支撐物或接附至表面或粒狀結構的推定藥物候選物，可與其他細胞衍生的分子交互作用使得二結合配偶體之間的結合發生且可偵測到。該結合配偶體之一或其接附的支撐物可附帶地以能分辨且藉由偵測裝置來定量的物質衍生化。此複合體(經由交互作用)接著帶來運用區分彼及未締合的結合配偶體之締合複合體特性的偵測裝置的出現。
「親和力結合配偶體」或「結合配偶體」可為上述定義的探針或配體。
「受體」為對指定配體具有親和力的分子。受體可為天然產出或人工的分子。而且，彼等可以其未改變的狀態或與其他物的聚結物之形式使用。受體可接附，共價或非共價地，至結合組份，無論直接或經由專一性結合物質。本發明可使用的受體例子包括，但不限於，與專一性抗原決定子(例如病毒、細胞或其他材料的)、藥物、多核酸、核酸、肽、輔因素、凝集素、糖、多糖、細胞、細胞膜及胞器具有反應性的抗體、細胞膜受體、單株抗體及抗血清。受體在此技藝中有時候指的是反配體。然而，有關在此使用的措辭受體，意義沒有不同。「配體受體對」將在二巨分子經由分子辨識結合而形成複合體時形成。其他可藉由本發明研究的受體例子包括但不限於：a)微生物受體：結合至受體的配體，例如微生物殘存不或或缺的專一性運輸蛋白或酶，之測定係有用於開發新類型抗生素。特別有價值的是對抗致病性真菌、原蟲及對目前使用的抗生素有抗藥性的細菌之抗生素。
b)酶：例如，有一種受體為例如負責分裂神經傳遞素的酶等酶的結合基；結合至特定受體以調整分裂不同神經傳遞素的酶之作用的配體之測定係有用於可用在神經傳遞症狀治療的藥物開發。
c)抗體：例如，本發明可用於研究與感興趣的抗原決定基結合之抗體分子上的配體結合基；測定模仿抗原決定基的序列可導致免疫原以一或多個此等序列為底的疫苗之開發或導致相關診斷劑或有用於例如自體免疫疾病等的治療(例如，藉由阻斷「反自身」抗體的結合)的化合物之開發。
d)核酸：核酸序列可經合成以建立DNA或RNA結合序列。
e)催化性多肽：能促進涉及將一或多種反應物轉化為一或多種產物的化學反應之聚合物，較佳為多肽。此多肽一般包括對於至少一反應物或反應中間物具有專一性的結合基及最接近該結合基的活性官能性，該官能性能化學改質經結合的反應物。
f)激素受體：激素受體的例子包括，例如，胰島素及生長激素的受體。以高親和力結合至受體的配體之測定係有用於，舉例來說，以口服置換糖尿病患者必須進行以緩解糖尿病症狀的每天注射的開發。其他例子為縮血管激素受體；結合至受體的配體之測定可導致控制血壓藥物的開發。
g)鴉片受體：結合至腦部鴉片受體的配體之測定係有用於嗎啡及相關藥物的降低成癮性置換的開發。
「專一性結合」或「專一性交互作用」為比起對於其他分子實質上較低的辨識力，二不同分子之一對於他物的專一性辨識。大體上，該等分子的表面上或洞孔中都具有提高兩分子之間的專一性辨識的區域。例示性專一性辨識為抗體－抗原交互作用、酶－基材交互作用及多核酸雜交交互作用等等。
「非專一性結合」或「非專一性交互作用」為與專一性表面結構較沒有關係的分子之間的非共價結合。非專一性結合可源自數個因素，包括分子之間的疏水性交互作用。
多價配體分析物正常為聚(胺基酸)，即，多肽及蛋白質、多糖、核酸及其組合。此組合包括細菌、病毒、染色體、基因、粒線體、細胞核及細胞膜等。
大部分，該多肽配體分析物可具有約5,000的分子量，更常為至少約10,000。在聚(胺基酸)分類中，感興趣的聚(胺基酸)一般都從約5,000至5,000,000的分子量，更常為約20,000至1,000,000的分子量；在感興趣的激素中，該分子量通常都分布於約5,000至60,000的分子量。
該單抗原決定基配體分析物一般可為約100至2,000的分子量，更常為125至1,000的分子量。該分析物包括藥物、代謝物、農藥及污染物等。感興趣的藥物當中包括生物鹼。當中生物鹼為嗎啡生物鹼，其包括嗎啡、可待因、海洛因、右甲嗎喃、其衍生物及代謝物；古柯鹼生物鹼，其包括古柯鹼及苯甲醯艾克寧、其衍生物及代謝物；麥角生物鹼，其包括麥角酸的二乙醯胺；類固醇生物鹼；咪唑生物鹼；喹唑啉生物鹼；異喹諾啉生物鹼；喹諾啉生物鹼，其包括奎寧及異金雞鈉鹼；二萜生物鹼、其衍生物及代謝物。
措辭「報告體(reporter)」意指可偵測的部分。該報告體可，舉例來說，藉由拉曼光譜術來偵測。一般，該報告體及任何鏈接至該報告體的分子都可偵測而不需第二個結合反應。該報告體可為，舉例來說，COIN(複合－有機－無機奈米粒子)、磁性－COIN、量子點及其他拉曼或螢光標籤。
措辭「SERS活性材料」或「SERS活性粒子」表示產生表面增進拉曼散射效應的材料或粒子。與在沒有該SERS活性材料或粒子而單單來自該分析物的拉曼信號相比而以光源激發該分析物－粒子複合體時，該SERS活性材料或粒子將產生對該分析物分子有專一性的表面增進拉曼信號。該增進拉曼散射效應提供來自已被吸附至某些特製的SERS活性表面上的拉曼活性分析物分子之大幅增進的拉曼信號。該SERS活性表面可為平面或曲面。通常，該SERS活性表面為金屬表面。拉曼信號強度的提高對一些系統而言可在104 至1014 的等級。SERS活性材料或粒子包括不同的金屬，其包括貨幣(金、銀、銅)、鹼金屬(鋰、鈉、鉀)、鋁、鈀及鉑。在SERS活性粒子的情況中，該SERS活性粒子的粒子尺寸可介於1至5000奈米，較佳為介於5至250奈米，更佳為介於10至150奈米，且最佳為40至80奈米。在一個具體例中，有提供用於產生金屬膠體以製造SERS活性材料或粒子的方法。此等方法可，舉例來說，經由在水溶液中混合金屬陽離子與還原劑，並將該水溶液加熱至約95℃，藉以產生金屬膠體而執行。
如在此所用的，措辭「膠體」表示懸浮在液體中的奈米尺寸金屬粒子，通常為水溶液。在本發明的方法中，該金屬陽離子及還原劑在加熱之前先在水溶液中混合。此方法導致由此膠體所獲得的SERS信號有50%的增強，且也造成再現性提高10到20%至80到100%。預期用於本發明的實行之典型金屬包括，舉例來說，銀、金、鉑、銅及鋁等。預期本發明的實行使用不同還原劑，例如舉例來說，檸檬酸鹽及硼氫化物等。本發明某些具體例中使用檸檬酸鈉。通常，該金屬陽離子及還原劑各自以至少約0.5mM的濃度存在水溶液中。混合該金屬陽離子及還原劑之後，加熱該溶液約30分鐘。在一些具體例中，將該溶液加熱約60分鐘。通常，將該溶液加熱至約95℃。在其他具體例中，將該溶液加熱至約100℃。該溶液的加熱以熟於此藝之士眾所周知的方法來完成。在一些具體例中，使用微波爐、對流爐或其組合來完成加熱。以用於生產在此所述的金屬膠體之方法對照以檸檬酸鈉溶液滴定沸騰硝酸銀的先前方法。此滴定方法在約10次試驗內僅可產生一批具有適合於dMAP的拉曼增進之銀粒子，而其他批具有低或完全沒有拉曼活性。然而，藉由使用本發明的方法，有關滴定法製備的膠體可見到150%的平均SERS信號增進。
措辭「COIN」表示複合－有機－無機奈米粒子。該COIN可為併入凝膠基質且用於在此所述的其他某些分析物分離技術之表面增進拉曼光譜術(SERS)－活性奈米粒子。這些SERS－活性探針架構包含芯及表面，其中該芯包括含芯及表面的探針架構，其中該芯包括含第一金屬及拉曼活性有機化合物的金屬膠體。該COIN可進一步包含與第一金屬不同的第二金屬，其中該第二金屬形成蓋在第一金屬表面上的層。該COIN可進一步包含蓋在該金屬層上的有機層，該有機層包含探針。適用於接附至該SERS－活性奈米粒子表面的探針包括，但不限於，抗體、抗原、多核酸、寡核酸、受體及配體等。
達到適合的SERS信號所需的金屬本來就在該COIN中，且不同的拉曼活性有機化合物可併入該粒子中。的確，經由使用含有不同結構、混合物及比例的拉曼活性有機化合物可產生大量獨特的拉曼特徵。因此，在此所述使用COIN的方法係有用於樣品中許多分析物的同時偵測，終致體液「外廓」含量的快速定性分析。此外，因為許多COIN可併入單一奈米粒子中，所以單一COIN粒子的SERS信號相對於不含在此所述的COIN之奈米粒子的拉曼－活性材料所獲得的SERS信號係強的。此情況相較於未利用COIN的拉曼技術將造成提高的靈敏度。
COIN可運用標準金屬膠體化學來製備。COIN的製備也將得到金屬吸附有機化合物的優點。的確，因為在金屬膠體形成的期間拉曼－活性有機化合物係吸附在該金屬上，所以許多拉曼－活性有機化合物可併入該COIN而不需特別的接附化學。
一般而言，該COIN可以下列方式製備。製備含有適合金屬陽離子、還原劑及至少一適合的拉曼－活性有機化合物的水溶液。接著將該溶液的組成分施以還原金屬陽離子而形成中性膠質金屬粒子的條件。因為該金屬膠體的形成在適合的拉曼－活性有機化合物存在下發生，所以該拉曼－活性有機化合物在膠體形成的期間易於吸附在該金屬上。此COIN通常可經由膜過濾而分離。此外，不同尺寸的COIN可經由離心作用濃縮。
如在此所用的，「拉曼－活性有機化合物」表示回應雷射的激發而產生獨特SERS特徵的有機分子。預期以不同拉曼－活性有機化合物當作COIN的組成分。在特定具體例中，拉曼－活性有機化合物為多環芳族或雜芳族化合物。通常該拉曼－活性有機化合物具有小於約300道爾吞的分子量。
SERS活性粒子或COIN都可用於偵測特定靶分析物，舉例來說，核酸、寡核酸、蛋白質、酶、抗體或抗原的存在。該等奈米粒子也可用於結合特定靶或偵測藥劑之類的污染物之篩選生物活性劑，即藥物候選物。探針部分，例如肽、蛋白質、寡核酸或適體，可被設計的任何分析物都可與所揭示的奈米粒子結合使用。
而且，具有充當結合配偶體的抗體之SERS活性粒子或COIN都可用於偵測溶液中或固體支撐物上的拉曼－活性抗體標記構成物與抗原的交互作用。要了解此免疫分析可使用例如，舉例來說，用於酶鏈接的免疫吸附分析(ELISA)、西方墨點轉漬法(Western blotting)或蛋白質分析中的習知方法，利用具有充當探針的抗體且扮作主要或次要抗體之SERS活性粒子或COIN代替以酶或放射性化合物標記的主要或次要抗體而執行。在另一個例子中，SERS活性粒子或COIN係接附用於偵測酶與基材的交互作用之酶探針。
例示性方法的另一群可使用SERS活性粒子或COIN來偵測靶核酸。此方法係有用於，舉例來說，臨床樣品內的感染物偵測、衍生自染色體DNA或RNA或訊息RNA的放大產物偵測或插入無性繁殖系的基因(cDNA)偵測。某些方法以靶多核酸的偵測為目標，且使用此技藝中習知的方法來合成寡核酸探針。該寡核酸接著用於將SERS活性粒子或COIN官能化。該SERS活性粒子或COIN中的專一性拉曼標記偵測將分辨該寡核酸探針的核酸序列，其依序提供與該靶核酸的核酸序列有關的資訊。
措辭「互補性」表示形貌相容性或配體分子與其受體交互作用表面配在一起。由此，該受體及其配體可描述成互補的，且再者，該接觸表面特徵彼此相互補。
措辭「氧化」意指失去電子而氧化。措辭「還原」意指獲得電子而還原。措辭「氧化還原反應」表示涉及氧化及還原的任何化學反應。
措辭「光譜」表示呈波長或其他等效單位，例如波數、頻率及能階，的函數形式之電磁放射強度。
措辭「光譜儀」表示裝配用於測量波長或折射率的刻度之裝置。
在此所用的措辭「流體」意指具有呈現其容器形狀的傾向之物質的凝集物，例如液體或氣體。流體形式的分析物包括流體懸浮液及固體粒子分析物溶液。
措辭「衍生化」意指經由改變分子某些部分的化學反應來改變分子組成，且較佳為留下該分子的大部分未改變。
本發明的具體例係有關獲得可用於經由表面增進拉曼光譜術(SERS)偵測廣闊範圍分析物的金屬粒子之方法。本發明的具體例能以不同方式在該SERS基材上產生額外化合物(包括簡單離子、小分子、聚合物甚至是奈米粒子)的層以增加分析物的吸附且進而其信號強度。在選擇表面改質方法時較佳為考量分析物分子與基材表面之間的靜電、疏水、共價及其他專一性交互作用。
本發明的具體例包括製備具有能促進用於表面增進拉曼光譜術分析的吸附之化合物改質層的奈米粒子或奈米簇之方法。該方法可包含合成平均尺寸在20至100奈米範圍的銀及金及經由下列方法中之一或多者來改質奈米粒子表面，舉例來說：(1)經由簡單分子、聚合電解質及奈米粒子的吸附來逆轉粒子電荷；(2)以能促進分析物吸附或可進一步改質以達到該目的的無機材料層塗佈該金屬粒子；(3)以經由疏水性交互作用來保留分析物分子的材料塗佈該基材；及(4)以對於分析物具有高親和力的配體或巨分子將該基材衍生化(包括共價結合、H－鍵結、抗體－抗原交互作用)。
本發明的具體例係有關一種材料，其包括含金屬的SERS活性物質及在該材料上的陽離子性塗層使該材料帶正電。較佳地，該SERS活性物質係位在材料表面且包含金屬膠體。在本發明的一些具體例中，該材料具有平面(例如，薄板、帶、薄片、電極)或曲面(例如，奈米粒子、球形粒子)。較佳地，該陽離子性塗層包含吸附的添加物或沈積的添加物。更佳地，該吸附添加物包含選自離子、含硫醇的化合物、聚合物及奈米粒子之材料。在一個變化例中，該沈積添加物包含有機材料或無機材料的層。較佳地，該奈米粒子包括含鐵材料。更佳地，該無機材料層包含氧化矽、赤鐵礦或氧化鈦。較佳地，該有機材料層包含具有帶正電官能基的聚合物。
本發明的其他具體例係有關一種材料，其包含(1)包含金屬的SERS活性物質及(2)非金屬分子，其中該SERS活性物質係接附於該非金屬分子。較佳地，該SERS活性物質包含金屬膠體。較佳地，該含金屬的粒子包含選自銀、金、鉑、鐵、鐵的氧化物、鋁、鋁的氧化物及其組合之金屬。較佳地，該非金屬分子係選自含硫醇的化合物、配體、抗原、抗體、寡核酸、適於與分析物形成共價鍵的反應性分子及其組合。較佳地，該配體係適於固定化金屬親和層析(IMAC)且係選自蛋白質或磷蛋白、穀胱甘肽(glutathione)、酸、凝集素及其組合。。更佳地，該反應性分子係選自N-羥基丁二醯亞胺酯、異硫氰酸酯、鹵化磺醯、順丁烯二醯亞胺、硫醇、鹵乙醯基及其組合。
本發明又其他的具體例係有關一種SERS活性粒子，其包括含金屬的粒子及在該含金屬的粒子上的陽離子性塗層，其中該SERS活性粒子帶正電。較佳地，該含金屬的粒子包含金屬膠體。較佳地，該陽離子性塗層包含吸附的添加物或沈積的添加物。更佳地，該吸附添加物包含選自離子、含硫醇的化合物、聚合物及奈米粒子之材料。在一個變化例中，該沈積添加物包含有機材料或無機材料的層。更佳地，該含硫醇的化合物包含硫醇胺。而且，更佳地，該奈米粒子包括含鐵材料且該有機材料層包含聚乙烯胺。較佳地，該有機材料層包含陽離子性聚合物。較佳地，該無機材料層包含氧化矽、赤鐵礦或氧化鈦。在一個變化例中，該有機材料層包含具有帶正電官能基的聚合物。
本發明的其他具體例係有關一種SERS活性粒子，其包含金屬的粒子及非金屬分子，其中該含金屬的粒子係接附於該非金屬分子。較佳地，該非金屬係經由共價鍵結、吸附或衍生化而接附至該非金屬分子。較佳地，該非金屬分子包含反應基。更佳地，該非金屬分子包含選自TiO2 、標示蛋白質、磷蛋白、含硼化物及凝集素之配體。
本發明又其他的具體例係有關一種複合體，包括SERS活性粒子及分析物，該SERS活性粒子包括含金屬的粒子，而該分析物包含帶正電的化合物。較佳地，該分析物係結合至該SERS活性粒子，且該化合物在該分析物結合至該SERS活性粒子之前帶正電。該複合體可進一步包含結合至該含金屬的粒子及分析物的反應性分子或聚合物。較佳地，該反應性分子包含選自NHS酯、異硫氰酸酯、鹵化磺醯、順丁烯二醯亞胺、硫醇、鹵乙醯基及其組合的反應性基團。較佳地，該分析物係含硫醇的化合物、含胺的化合物或其組合。
還有，本發明的其他具體例係有關一種方法，其包含使金屬離子與還原劑接觸以形成含金屬的奈米粒子或奈米簇，及將該含金屬的奈米粒子或奈米簇表面改質使該表面帶正電。較佳地，該表面改質包含使添加物吸附在該表面上。較佳地，該添加物包含選自正電離子、含硫醇的化合物、聚合物及奈米粒子的材料。較佳地，該含金屬的奈米粒子或奈米簇包含銀粒子，且該聚合物為聚烯丙基胺或聚銨(polyamonium)。較佳地，該含金屬的奈米粒子或奈米簇包括含銀粒子，且該奈米粒子包括含鐵粒子。較佳地，該表面改質包括將含添加物的層沈積在該表面上。較佳地，該添加物係含鐵材料。該方法可進一步包含加熱在水溶液中的金屬離子以產生金屬膠體。較佳地，該還原劑係檸檬酸鹽或硼氫化物。更佳地，該加熱係在約60至100℃的溫度範圍。
本發明又其他的具體例係有關一種方法，其包含使金屬離子與還原劑接觸以形成含金屬的奈米粒子或奈米簇，及將該含金屬的奈米粒子或奈米簇表面改質使該表面包含疏水性塗層。較佳地，該疏水性塗層包含陽離子性聚合物或陰離子性聚合物。較佳地，該疏水性塗層包含烷基鏈。較佳地，該含金屬的奈米粒子或奈米簇包含銀粒子，且該含金屬的奈米粒子或奈米簇的表面改質包含以金層塗佈該銀粒子並吸附烷基硫醇以形成該疏水性塗層。較佳地，該疏水性塗層包含可產生氫鍵或離子對的官能基。較佳地，該含金屬的奈米粒子或奈米簇的表面改質步驟包含以氧化矽層塗佈該含金屬的奈米粒子或奈米簇並將有機分子結合至該氧化矽層以形成該疏水性塗層。較佳地，該有機分子結合至該氧化矽層的步驟包含經由矽醇基結合。較佳地，該含金屬的奈米粒子或奈米簇的表面改質步驟包含使帶相反電荷的聚合物層吸附至該含金屬的奈米粒子或奈米簇上以形成該疏水性塗層。較佳地，該帶相反電荷的聚合物之吸附步驟包含沈積帶正電的聚合物層及沈積帶負電的聚合物層。較佳地，該帶正電的聚合物層包含聚乙烯亞胺或聚烯丙基胺且該帶負電的聚合物層包含聚丙烯酸或聚苯乙烯硫酸酯。該方法可進一步包含經由離心作用移除該含金屬的奈米粒子或奈米簇溶液中的自由聚合物。
本發明又其他的具體例係有關一種方法，包含使金屬離子與還原劑接觸而形成含金屬的奈米粒子或奈米簇及改質該含金屬的奈米粒子或奈米簇的表面使該表面包含與分析物具有專一性交互作用的化合物。較佳地，該化合物包含選自寡核酸股、配體、抗原、抗體及其組合的材料。該方法可進一步包含藉由硫醇化學作用改質該含金屬的奈米粒子或奈米簇，使金屬螯合基接附於該表面。較佳地，該專一性交互作用包含共價鍵結、氫鍵結或抗體－抗原交互作用。較佳地，該含金屬的奈米粒子或奈米簇的表面改質步驟包含將該含金屬的奈米粒子或奈米簇耦合至與該分析物形成共價鍵的反應性分子或聚合物，其中該分析物含有官能基。
本發明又其他的具體例係有關一種方法，包含使SERS活性粒子與分析物接觸並使該SERS活性粒子與該分析物之間產生靜電交互作用，其中該SERS活性粒子的表面帶正電。該方法可進一步包含改質該表面使該表面帶正電。較佳地，該表面包含添加物，該添加物包含選自帶正電的離子、含硫醇的化合物、聚合物及奈米粒子的材料。該方法可進一步包含以含添加物的層塗佈該SERS活性粒子。較佳地，該添加物係含鐵材料。
本發明又其他的具體例係有關一種方法，包含使SERS活性粒子與分析物接觸並使該SERS活性粒子與該分析物之間產生疏水性交互作用，其中該SERS活性粒子的表面具有疏水性塗層。該方法可進一步包含改質該SERS活性粒子表面使該表面包含疏水性塗層。較佳地，該疏水性塗層包含可產生氫鍵或離子對的烷基鏈或官能基。較佳地，該SERS活性粒子的表面改質步驟包含以氧化矽層塗佈該SERS活性粒子並將有機分子結合至該氧化矽層以形成該疏水性塗層。較佳地，該SERS活性粒子的表面改質步驟包含使帶相反電荷的聚合物層吸附至該SERS活性粒子上以形成該疏水性塗層。較佳地，該帶相反電荷的聚合物之吸附步驟包含沈積帶正電的聚合物層及沈積帶負電的聚合物層。
本發明又其他的具體例係有關一種方法，包含使SERS活性粒子與分析物接觸並使該SERS活性粒子與該分析物之間產生疏水性交互作用，其中該SERS活性粒子的表面包含與該分析物具有專一性交互作用的化合物。較佳地，該化合物包含選自寡核酸股、配體、抗原、抗體及其組合的材料。該方法可進一步包含藉由硫醇化學作用改質該SERS活性粒子，使金屬螯合基接附於該表面。較佳地，該專一性交互作用包含共價鍵結、氫鍵結或抗體－抗原交互作用。該方法可進一步包含將該SERS活性粒子耦合至與該分析物形成共價鍵的反應性分子或聚合物，其中該分析物含有官能基。較佳地，該專一性交互作用包含生物素－抗生蛋白鏈菌素或DNA/RNA股的交互作用。
較佳地，該SERS活性粒子包含金屬。較佳的金屬包括金、銀、銅、鋰、鈉、鉀、鋁、鈀及鉑。該SERS活性粒子較佳地也可包括複合有機-無機奈米粒子(COIN)。較佳的COIN包括腺嘌呤、4-胺基-吡唑(3,4-d)嘧啶、2-氟腺嘌呤、N6-苯甲醯基腺嘌呤、裂殖素、二甲基-烯丙基-胺基-腺嘌呤、玉米素、溴-腺嘌呤、8-氮-腺嘌呤、8-氮鳥嘌呤、6-氫硫基嘌呤、4-胺基-6-氫硫基吡唑(3,4-d)嘧啶、8-氫硫基腺嘌呤、玫瑰紅(rhodamine)6G、玫瑰紅B、結晶紫、鹼性品紅(basic fuchsin)、花青2、花青3及9-胺基-吖啶。
在實行本發明時，該拉曼光譜儀可為為了經由拉曼光譜術來偵測且定量本發明的金屬膠體所設計的偵測單元。使用拉曼光譜術偵測拉曼標記分析物，舉例來說核酸，的方法係此技藝中習知者。表面增進拉曼光譜術(SERS)的變化例，表面增進共振拉曼光譜術(SERRS)及相關的反斯托克斯拉曼光譜術(CARS)亦為習知且包括在本發明的範圍內。
拉曼偵測的非限定例子包括經由532奈米波長的倍頻Nd：YAG雷射或365奈米波長的倍頻Ti：藍寶石雷射中之任一者所產生的激發束。脈衝雷射束或連續雷射束都可使用。該激發束通過共焦光學系統及顯微接物鏡，並聚焦在流徑及/或流通槽上。藉由顯微接物鏡及共焦光學系統收集來自吸附在銀膠體上的COIN或分析物之拉曼放射光並耦合至用於光譜分離的單色器。該共焦光學系統包括二向色濾光片、阻擋濾片、共焦針孔、透鏡及用於降低背景信號的鏡子。標準全場光學系統也可當作共焦光學系統。該拉曼放射信號係經由為了計數及信號之數位化而與電腦形成界面之包括崩瀉光二極體的拉曼偵測器來偵測。
拉曼偵測單元另一個例子為以單光子計數模式操作之具有砷化鎵光電倍增管(RCA Model C31034或Burle Industries Model C3103402)的Spex Model 1403雙光柵光譜儀。該激發源包括來自SpectraPhysics，Model 166的514.5奈米射線氬離子雷射及氪離子雷射(Innova 70，Coherent)的647.1奈米射線。
選擇性激發源包括337奈米的氮雷射(Laser Science股份有限公司)及325奈米的氦－鎘雷射(Liconox)、發光二極體、Nd：YLF雷射及/或不同離子雷射及/或染料雷射。該激發束可以帶通濾波器(Corion)光譜純化且可使用6X接物鏡(New port，Model L6X)聚焦在流徑及/或流通槽上。該接物鏡可用於激發該分析物且集中拉曼信號，經由使用全息分束器(Kaiser Optical Systems股份有限公司，Model HB 647－26N18)以產生用於激發束及放射拉曼信號的直角幾何形狀。全息窄帶帶阻濾光片(Kaiser Optical Systems股份有限公司)可用於降低Rayleigh散射輻射。選擇性拉曼偵測器包括裝配紅色增進的強化電荷耦合裝置(RE－ICCD)偵測系統(Princeton Instruments)的ISA HR－320攝譜儀。其他類型的偵測器都可使用，例如傅利葉轉換攝譜儀(以Michaelson干涉儀為底)、充電射出裝置、光電二極體陣列、InGaAs偵測器、電子倍增CCD、強化CCD及/或光電晶體陣列。
此技藝中習知的拉曼光譜儀或相關技術的任何適合形式或結構都可用於本發明方法的偵測，包括但不限於普通拉曼散射、共振拉曼散射、表面增進拉曼散射、表面增進共振拉曼散射、反斯托克斯拉曼光譜術(CARS)、刺激拉曼散射、反向拉曼光譜儀、刺激增益拉曼光譜儀、超拉曼散射、分子光學雷射激檢查器(MOLE)或拉曼微探針或拉曼顯微鏡檢查術或共焦拉曼微光譜儀、三維或散射接曼、拉曼飽和光譜術、時間解析共振拉曼、拉曼耦合光譜術或UV－拉曼顯微鏡檢查術。
在本發明的特定方面，用於偵測本發明的分析之系統包括資訊處理系統。例示性資訊處理系統可加入包括傳遞資訊的匯流排及處理資訊的處理器之電腦。在本發明的一個具體例中，該處理器係選自Pentium系列處理器，包括但不限於可從Intel有限公司(加州，聖塔克拉拉)購得的處理器之PentiumII系列、PentiumIII系列及Pentium4系列。在本發明的替代性具體例中，該處理器可為Celeron、Itanium或Pentium Xeon處理器(Intel有限公司，加州，聖塔克拉拉)。在本發明其他不同的具體例中，該處理器可以Intel架構為主，例如IntelIA－32或IntelIA－64架構。或者，其他處理器都可使用。該資訊處理及控制系統可進一步包含任何此技藝中習知的周邊裝置，例如記憶體、顯示器、鍵盤及/或其他裝置。
在特定的具體例中，該偵測單元能夠可操作地耦合至該資訊處理系統。來自該偵測單元的數據可藉由該處理器及儲存在記憶體中的數據來處理。不同拉曼標示的放射外廓數據也可儲存在記憶體中。該處理器可比較來自流徑及/或流通槽中的樣品之放射光譜以辨識該拉曼－活性有機化合物。該處理器可分析來自該偵測單元的數據以測定，舉例來說，被本發明的方法所用的銀膠體束縛住的多核酸序列。該資訊處理系統也可執行例如背景信號的扣除等的標準程序。
儘管本發明的方法可在程式編輯的處理器控制下執行，但是本發明的替代性具體例中，該方法可完全或部分藉由任何可程式編輯或寫死的邏輯來實行，例如可程式化場效電閘陣列(FPGAs)、TTL邏輯或專用積體電路(ASICs)。此外，揭示的方法可藉由程序編寫的一般用途電腦零件及/或客製硬體零件的任何組合來執行。
在該數據匯集操作之後，數據通常都被傳達至數據分析操作。為了促成該分析操作，由該偵測單元獲得的數據通常都使用例如上述的數位電腦來分析。通常，該電腦將會經適當程式編輯以供該偵測單元的數據領收及儲存及匯集的數據之分析及傳達。
在本發明的特定具體例中，可使用按客戶設計的軟體組來分析該偵測單元獲得的數據。在本發明的替代性具體例中，數據分析可使用資訊處理系統及公用軟體組來執行。
第1圖顯示涉及經由改質SERS奈米粒子(上圖)及表面(下圖)而獲得分析物的拉曼光譜之一般步驟。儘管被吸收(或接附)到單一改質奈米粒子的分析物分子可提供SERS信號，但是例如LiCl、NaCl或其他鹽等促凝劑的添加會造成該奈米粒子凝集而產生更強大的拉曼信號。因此，使用促凝劑以防該分析物分子不會引起顯著聚結。
該分析物的濃度可經由比較不同濃度的習知對照化合物的峰比例與該分析物的實際峰比例而測定。該分析物的正確識別可利用分析物的拉曼光譜來完成。一旦確認該分析物，可測定相似的對照化合物以供比較。
較佳地支援一系列濃度不同對照化合物的峰資料庫。代替對照化合物，若這些峰比例可得到的話，該分析物峰比例可直接與不同濃度的分析物之已知峰比例作比較。
本發明的具體例提供數種方法將該基材表面改質以促進分析物吸收。發明人證實經由陽離子性聚合物的吸附來產生帶正電銀粒子的可行性。發明人已開發出用於再現地製備銀及金粒子的方法。發明人也已經開發出運用眾所周知的矽醇化學作用而以不同分子衍生化之氧化矽來塗佈銀及金粒子的方法。
本發明的特定具體例係有關利用一或多種金屬，例如拉曼活性金屬，的均勻層來塗佈多孔性基材的方法。舉例來說，該多孔性基材可為多孔性矽基材。任何能耐熱施加的多孔性基材都可用於此揭示的方法、系統及/或裝置。在特定的具體例中，預期熱施加至約300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃或1,000℃。在本發明 的一些具體例中，該多孔性基材可為剛性者。各種多孔性基材，包括但不限於多孔性矽、多孔性多晶矽、多孔性金屬柵格及多孔性鋁，都可用於本發明的具體例。下文將進一步詳細揭示製造多孔性基材的例示性方法。
多孔性多晶矽基材可藉由例如下列的技術來製造。多孔性多晶矽層可藉由使用低壓化學氣相沈積(LPCVD)而形成在半導體基材表面上。該LPCVD條件可包括，舉例來說，約20帕斯卡的壓力、約640℃的溫度及約600sccm(標準立方公分)的矽烷氣流。多晶矽層可舉例來說運用HF(氫氟酸)的電化學陽極化或利用硝酸及氫氟酸的化學蝕刻而被蝕刻，使其變成多孔性。通常，經由此等技術形成的多孔性多晶矽層受限於約1微米或更薄的厚度。對照之下，多孔性矽可在整塊矽晶圓的整個厚度被蝕刻，該晶圓具有約500微米的典型厚度。
多孔性鋁基材也可藉由其他技術製成。舉例來說，奈米多孔性氧化鋁薄膜可使用電化學支援的自組法裝配在矽或氧化矽上。該多孔性鋁膜可經熱退火以改良其均勻性。或者，固體鋁的薄膜可在草酸及/或硫酸的稀溶液中電化學陽極化以產生奈米多孔性氧化鋁膜。在此揭示的例子並沒有限定且任何習知的耐熱性多孔性基材都可使用。此多孔性基材可使用在此揭示的方法均勻地浸透著一或多種金屬，例如銀。
如下文歸納的，該SERS基材表面可以不同方法改質以改良該分析物分子與改質表面之間的一或多類交互作用 。
靜電交互作用：以例如檸檬酸鹽及硼氫化鈉等常見還原劑還原金屬離子所製備的銀及金奈米粒子主要由於溶液中大部分陰離子(檸檬酸根或BH4 - )的吸附而具有負的表面電荷。由於強的靜電吸引力使分析物分子靠近該粒子表面，那些帶負電的奈米粒子可直接用於分析大部分帶正電的分子。然而，就分析帶負電的分子而言，預期有低的SERS信號強度，除非靜電排斥被分子與表面之間的專一性交互作用壓倒。為了克服此難題，可藉由歸納於表1中的各種手段使奈米粒子表面帶正電。
第2圖例示經由使用較小帶正電的奈米粒子(例如Fe2 O3 及FeOOH)作為錨(anchor)以吸附帶負電之分析物來產生帶正電的SERS粒子的一些本發明具體例。特別是，第2圖例示本發明之一具體例，其中SERS活性粒子係以增進分析物分子吸附至該SERS活性粒子之帶正電奈米粒子的吸附層塗佈。
就帶負電的分析物之SERS分析而言，使用覆蓋了赤鐵礦粒子次-單層之銀粒子令分析物分子更靠近該銀粒子表面可能較佳。該經塗佈之銀粒子攜帶的電荷可仍為負性。然而，由於赤鐵礦粒子的局部正電荷，如第2圖所示帶負電的分析物分子將會被帶到銀表面。下列程序可用於製備具有不同程度赤鐵礦粒子表面覆蓋的銀粒子。以1mM HCl將赤鐵礦懸浮液(1mM Fe2 O3 )稀釋100至1000倍。混合等體積的稀釋赤鐵礦懸浮液與1mM的SERS Ag。將分析物溶液加至該混合物。培養固定時間(1至15分鐘)之後，測量拉曼強度。若沒有發生聚結，為了提高拉曼信號可添加100mM NaCl或其他電解液以引起粒子聚結。或者，赤鐵礦懸浮液可在與SERS銀粒子混合之前先與分析物溶液混合。如第3圖所示由TEM發現銀粒子表面實質上完全被赤鐵礦奈米粒子所覆蓋，其中黑粒子表示銀粒子且條狀塗層表示赤鐵礦。
疏水性交互作用：醫療及環境感興趣的大部分大型有機分子一般為至少部分疏水性的。這是廣泛應用逆相HPLC當作分析工具的主要原因之一。如同在逆相層析法 的情況一般，可在銀/金粒子上建立有機塗層以留住各種分析物分子。舉例來說，如第4圖所示可將不同長度(C4至C18)的烷基鏈接枝至金粒子或塗佈金的銀粒子。
在本發明的其他具體例中，其他官能基也可加入該有機相以包括例如H-鍵結及離子配對等的更專一性交互作用。強的S-Au交互作用也可用於將不同官能基加入該粒子周圍的疏水層。舉例來說，HS-R-X類型的雙官能基分子可吸附在金或塗佈金的銀表面上，其中X可為羧基、胺及羥基等等，且R可為含有或不含促進與分析物分子的專一性交互作用的不同官能基之任何類型的烴部分。舉例來說，胺或帶正電銨基的加入將促進與帶負電的分析物分子之靜電交互作用。同樣地，例如硫酸根及磷酸根等帶負電的官能基存在將會促進與帶正電的分析物之離子配對。
或者在本發明的其他具體例中，如第5圖所示該金屬奈米粒子可以氧化矽薄層塗佈然後不同的有機分子可經由該矽醇基接附。
在本發明的一個具體例中，銀及金粒子可經由使用原先為了生產氧化矽球而開發的修飾Stöber方法以氧化矽層來塗佈。在50毫升塑膠離心管中，添加15毫升的乙醇、80微升的10%在乙醇中的原矽酸四乙酯(TEOS)及4毫升總銀濃度10mM的SERS銀粒子。在添加0.5毫升28%氫氧化銨之前混合該溶液以引發TEOS的水解。60分鐘之後，將懸浮液等量(10毫升)分至2個50毫升離心管。添加30毫升的1mM Na3 檸檬酸鹽至各管。利用旋籃式轉子在4500g下離心15分鐘。抽取並拋棄上澄液。將塗佈氧化矽的銀粒子 儲存在乙醇中或低離子強度且pH<7.5(例如0.1xpH=7.4的PBS緩衝液)的水溶液中。如第6圖的TEM照片所示在TEM下檢查顯示該銀粒子(如黑色區域所示)係實質上塗著具有約5奈米厚度的氧化矽(如黑色區域上的灰色塗層)。該氧化矽塗層的厚度可經由改變粒子濃度或總表面積而控制。較薄的氧化矽塗層可藉添加較多銀粒子而達成。若原始銀懸浮液的濃度太低，則可使用離心以在塗佈之前濃縮該粒子。類似程序也可應用於塗佈金粒子或經塗佈金的銀粒子。
根據本發明的具體例有許多將該氧化矽表面官能化的方式。一個容易的方法為使用如下類型的矽烷化合物：X-R-Si(OCH3 )3 或X-R-Si(OCH2 CH3 )，其中R可為含有或不含官能基的烷基或任何烴部分，X可為H或例如-COOH、-NH2 及-N(CH3 )3 + 等等各種官能基。例如乙醇等的有機溶劑可用於在添加塗佈氧化矽的銀或金粒子之前溶解該矽烷化合物。
在本發明又其他的具體例中，如第7圖所示也可使用相反電荷聚合物一層接著一層(LBL)的吸附以建立具有來自該聚合物的各種官能基之非常安定的有機層。第7圖顯示二示範聚合電解質聚烯丙基胺及聚丙烯酸的結構。具有適當溶解度的其他陽離子性及陰離子性聚合物也可用於建立多層聚合物塗層。通常，二類型的聚合物，一個陽離子性，另一個陰離子性，將足以建立任何所要厚度的塗層。然而，可使用更多類型的聚合物使所要的官能基能在離本來金屬表面的特定距離處加入。
專一性交互作用：共價鍵結與例如互補性寡核酸股之 間的氫鍵結等的其他強力專一性交互作用以及抗體-抗原交互作用都可用於將該分析物帶到非常接近本來或經衍生化的金屬粒子表面。舉例來說，分析含硫醇的化合物時，金奈米粒子或具有薄金層的銀粒子可當作SERS基材而得到強力S-Au交互作用的優點。
在其他具體例中，該SERS粒子也可與會與含有指定官能基的分析物形成共鍵價的特定反應性分子或聚合物耦合。舉例來說，有數種官能基可用於將分析物接附至該粒子表面。此例子之一為環氧化物。含有環氧基的聚合物可經由將濃縮的奈米粒子懸浮物加至大量聚合物溶液而吸附至該奈米粒子表面。好的起點為添加1份體積的奈米粒子懸浮液至4份體積的聚合物溶液。過量的聚合物接著經由離心移除並將經改質的粒子再懸浮於預期的介質中。含胺基的分析物可與此聚合物在鹼性pH下反應造成第二胺鍵的形成。
在有關分析蛋白質或肽之本發明又其他的具體例中，該金屬粒子可以對於該分析物具有強親和力的配體衍生化，例如，6xHis蛋白質用固定化金屬親和層析(IMAC)、穀胱甘肽-S-轉化酶(GST)-蛋白質用穀胱甘肽且糖蛋白及多核酸用凝集素。舉例來說，第8圖顯示具有用於捕捉糖蛋白的親和配體之SERS粒子。第8圖僅例示親和配體的一個特殊例。其他配體也可使用，舉例來說，酸可用於分析糖肽、糖蛋白及碳水化合物。
在一個例子中，該奈米粒子可經由使用硫醇化學改質而將金屬螯合基接附至該奈米粒子表面。將例如NTA(三甘胺酸)等同時含有硫醇基及金屬螯合基的化合物溶於適當溶劑(例如，水或乙醇)中且接著將該奈米粒子加至此溶液。令所得的混合物平衡至多12小時，然後接著經離心作用清洗該奈米粒子。然後將預期的金屬加至經改質的奈米粒子。就磷肽或蛋白質的捕捉而言，通常使用鐵(III)。將經改質的奈米粒子懸浮於酸性pH下的氯化鐵(III)稀釋溶液中。平衡之後，經由離心作用將過量的鐵溶液移除且將填充鐵的粒子再懸浮於酸性緩衝液中。接著將磷肽加至填充鐵的粒子並令其平衡。該磷酸與奈米粒子表面上的鐵形成複合體因此應夠接近該金屬表面而能獲得強力的表面增進拉曼信號。
在本發明的其他具體例中，該SERS基材也可先與要分析的指定蛋白質之抗原/抗體接合。舉例來說，抗體可使用N－羥基丁二醯亞胺酯(NHS)化學接合至該奈米粒子表面。該奈米粒子表面先與一端含有硫醇基且另一端羧酸的化合物混合而被改質。該化合物經由硫醇基接附至該奈米粒子表面，留下呈暴露官能基形式的羧酸。接著將該羧酸轉化成NHS－酯，並清洗所得的粒子且接著與該抗體混合。使該抗體的胺基與該NHS－酯反應而形成醯胺鍵，因此產生抗體標記的奈米粒子。或者，蛋白質A可吸附在該奈米粒子表面接著用於結合選擇的抗體。這將防止就各專一性抗體開發單獨奈米粒子的需求。
在有關分析DNA或寡核酸之本發明的其他具體例中，該SERS粒子可先以一段互補性寡核酸衍生化。舉例來說，衍生化可經由利用二硫化物保護的寡核酸培養過夜而進行。氯化鈉接著隨時間逐漸地加入以令該奈米粒子表面受到高帶電的寡核酸的最大覆蓋。為了避免太大的鹽濃度提高造成該奈米粒子的聚結必須非當小心。未結合的寡核酸可經由離心作用移除且以預期的氯化鈉濃度將丸狀物再懸浮於緩衝液中。
在上述情況中，該親和配體的拉曼散射較佳應依下列方式扣除。記錄下沒有任何分析物下各改質粒子的背景拉曼光譜。存分析物存在下收集光譜時，接著將該背景光譜扣除產生可能歸因於研究中的分析物之峰。背景峰變化的檢查也可提供有關分析物結合模式的資訊。特定帶的變化可與該背景的官能基聯想在一起且表示該分析物如何與該奈米粒子交互作用。這在最終微調特定分析物的奈米粒子專一性時係有用的。
表2中顯示本發明的具體例的一些SERS粒子。
實施例1：銀膠體的製備
對裝配攪拌棒的250毫升圓底燒瓶，添加100毫升的去離子水及0.200毫升的0.500M硝酸銀溶液。搖晃該燒瓶以徹底混合該溶液。接著使用200微升吸量管將0.136毫升的0.500M檸檬酸鈉溶液加至該燒瓶。然後將該燒瓶置於加熱包中且將攪拌器設在中等速度。將水冷式冷凝器接附至該燒瓶且開始加熱。在最大電壓下應用該加熱包，造成該溶液在7與10分鐘之間沸點。在沸騰120秒的範圍內發生顏色變化。在60分鐘之後止住加熱，將該溶液冷卻至室溫且將所得的膠狀懸浮液轉移至用於儲存的100毫升玻璃瓶。
實施例2：微細赤鐵礦粒子之製備
平均直徑<10奈米的赤鐵礦奈米粒子可使用下列程序藉由鐵離子的熱強迫水解來製備。ACS試藥級化學藥品及去離子(DI)水(阻抗約1x105 歐姆/公分)理應使用。經由將FeCl3 .6H2 O(Sigma－Aldrich)溶入4.00mM HCl而製備1.00M FeCl3 溶液。使用之前透過0.22微米Millipore過濾器來過濾該溶液。在含有磁攪拌子的250毫升培養基瓶(Prex)中，添加100毫升的DI水，0.4毫升的1N HCl。在加熱攪拌機上加熱該溶液至沸騰。在劇烈攪拌下，快速添加2.00毫升之濾過的1M FeCl3 溶液。添加之後60秒，蓋住該培養基瓶並將該瓶置於設在95℃的烘箱中。該粒子尺寸取決於在烘箱中的加熱時間。一般，加熱時間越長導致越大的粒子。當烘箱加熱時間短於60分鐘時將獲得小於10奈米的粒子。如此製備的赤鐵礦在pH<9時具有正的ζ電位。
實施例3：以微細赤鐵礦粒子塗佈SERS銀
為了以赤鐵礦奈米粒子完全塗佈銀粒子，在1毫升離心管中，添加0.9毫升的8奈米赤鐵礦懸浮液(以Fe2 O3 表示1mM，粒子數量濃度為1x1014 /毫升)。以1mM的總銀濃度(粒子濃度為約2x1011 粒子/毫升)快速添加100微升的SERS銀粒子(約50奈米)。立即搖晃該懸浮液以具有均勻的混合。在6000克時離心60分鐘。以吸量管抽取並拋棄儘可能多的上澄液。在1mM HCl中再懸浮經塗佈的銀粒子。在這些製備條件下，如第3圖顯示的TEM見到的以赤鐵礦奈米粒子完全覆蓋銀粒子表面。
實施例4：以金薄層塗佈銀粒子
經由將適當量的試藥級化學藥品溶在DI水中而製備0.100M的氯化金(III)、0.100M的抗壞血酸及1.00M的TX－100(聚(氧乙烯)異辛苯基醚)之原液。透過0.22uM Millipore過濾器來過濾該原液。新鮮抗壞血酸應定期製備且應保持在4℃。為了以金層塗佈SERS銀，可使用下列程序。
在125毫升培養基瓶中，添加30毫升的DI水、0.5毫升的HAuCl4 原液、0.6毫升的抗壞血酸溶液及1毫升的TX－100。在添加68毫升的SERS銀之前充分混合該溶液。蓋住該瓶並劇烈搖晃該溶液。令該瓶在室溫下靜置60分鐘同時以磁攪拌子攪動該溶液。該塗層厚度為約5奈米。金層厚度可經由改變所用的SERS銀量而予以控制。水量應加以調整使溶液的最終體積維持在100毫升。
實施例5：將烷基鏈接枝至金或塗佈金的銀粒子
就具有少於6個碳的烷基硫醇而言，可先以含有1mM檸檬酸鈉(以維持pH且安定化金膠體)及1mM烷基硫醇的水溶液塗佈。金及塗佈金的銀奈米粒子能以該硫醇溶液平衡24小時以令硫醇分子吸附。就更大長度的烷基硫醇而言，必須使用例如乙醇等的有機溶劑以製備1mM的硫醇溶液。為了令硫醇分子在該金粒子表面上形成自組單層需要24小時培養。此程序亦適用於具有較短鏈(<C6)的烷基硫醇及其他可溶於乙醇及其他適合溶劑中之含硫醇的化合物。
實施例6：一層一層塗佈的SERS粒子之製備
非常安定的有機塗層可經由帶反電荷的聚合電解質之多重層吸附來形成。此一層一層(LBL)方法可加以應用以成功塗佈膠狀粒子。舉例來說，先以多聚陽離子(polycation)(例如，聚乙烯亞胺或聚烯丙基胺)塗佈該帶負電的銀粒子。經由離心作用移除溶液中的自由聚合物。接著，施加帶負電的聚合物(例如聚丙烯酸及經硫酸改質的聚苯乙烯)。在施加下一層陽離子性聚合物之前再度經由離心作用移除自由聚合物。該製程持續到該有機層達到預期厚度為止。強力靜電交互作用的結果，該聚合物層對照脫附之下非常安定。不同的官能基可經由使用不同類型的聚合物或共聚物而併入該有機塗層。
實施例7：含硫醇的分析物與金或銀奈米粒子之間的專一性交互作用
將含硫醇的分析物溶液加至金奈米粒子或塗佈金的銀奈米粒子膠狀懸浮液。此具有膠體之分析物的培養時間可加以變化以令樣品平衡。導致硫醇單層形成在該金表面上的完全平衡將可能耗費至多12小時。該奈米粒子接著經由鹽溶液的添加而聚結且獲得表面增進拉曼光譜。
本發明具體例的SERS奈米粒子或奈米簇可根據分析物的本質來改質以產生更高的信號強度及更低的偵測極限。使用在此所述之方法之本發明具體例的SERS奈米粒子或奈米簇的商業應用包括環境毒物學及補救、生物醫學、材料品質控制、食物及農產品監視、麻醉偵測、汽車油品或散熱器流體監視、呼氣醇分析器、危害性溢出識別、爆炸物偵測、瞬間放射識別、醫療診斷、魚新鮮度偵測及生物醫療用途和醫療診斷用途的體外和體內細菌與微生物分類、監視重工業製造、周遭空氣監視、作業員保護、放射控制、產品品質試驗、洩漏偵測和識別、油/氣體石化應用、可燃性氣體偵測、H2 S監視、危害性洩漏偵測和識別、緊急反應及法律執行應用、非法物質偵測和識別、縱火調查、閉合空間調查、公用事業和電力應用、放射監視、變壓器故障偵測、食物/飲料/農業應用、新鮮度偵測、氣味組成和識別、產品品質和識別、冷凍劑及燻蒸劑偵測、化粧品/香水/香味配方、產品品質試驗、個人識別、化學藥品/塑膠/製藥應用、洩漏偵測、溶劑回收功效、周邊監視、產品品質試驗、危害性廢棄物地點應用、瞬間放射偵測和識別、洩漏偵測和識別、周邊監視、運輸、危害性溢出監視、加油操作、運貨容器檢查、柴油/汽油/飛機燃料識別、建築物/住宅天然氣偵測、甲醛偵測、煙偵測、火偵測、自動通風控制應用(烹調、冒煙等等)、空氣吸入監視、醫院/醫療麻醉及消毒氣體偵測、傳染病偵測和呼氣應用、體液分析、製藥應用、藥物回收及遠程醫療等。
即使精確範圍並未在說明書中逐字述明，此應用仍揭示支持在所揭示數目範圍內的任何範圍之數個數目範圍限制，因為本發明的具體例可在整個揭示的數目範圍內實行。最後，本案中對照的專利及公告的全部揭示內容，若有的話，藉此以對照的方式將其全文併入本文中。
第1圖顯示經由將SERS活性粒子(上圖)及表面(下圖)改質而獲得分析物的拉曼光譜之步驟。
第2圖例示本發明之一具體例，其中SERS活性粒子係以增進分析物分子吸收至該SERS活性粒子之帶正電奈米粒子的吸附層塗佈。
第3圖顯示如TEM所顯示以赤鐵礦奈米粒子完全塗佈的銀奈米表面。
第4圖例示本發明之一具體例，其中在烷基硫醇吸附以形成疏水層之前先塗佈金層的銀粒子。
第5圖例示本發明之一具體例，其中在藉由矽醇化學作用將有機分子接枝之前先以氧化矽層塗佈金屬粒子。
第6圖顯示如TEM所顯示以氧化矽完全塗佈銀粒子的表面。
第7圖例示本發明之一具體例，其中金屬粒子係經由帶相反電荷的聚合物之選擇性吸附以不同官能基一層層塗佈而形成疏水層。
第8圖例示本發明之一具體例，其中具有親和力配體的金屬粒子將捕捉分析物分子，特別是，糖肽分子。

Claims (9)

  1. 一種表面增進拉曼光譜術(SERS)活性粒子，其包括含金屬的粒子及在該含金屬的粒子上的陽離子性塗層，其中該含金屬的粒子包含選自銀、金、鉑、鋁、鋁的氧化物、及其組合的金屬，且其中該陽離子性塗層包含赤鐵礦，其進一步包含分析物、複數個該含金屬的粒子的聚結物及促凝劑，其中該等含金屬的粒子上具有該陽離子性塗層及該分析物，而該促凝劑為使該複數個含金屬的粒子聚結的鹽類。
  2. 如申請專利範圍第1項之SERS活性粒子，其中該含金屬的粒子包含金屬膠體。
  3. 如申請專利範圍第1項之SERS活性粒子，其中該陽離子性塗層包含吸附的添加物或沈積的添加物。
  4. 如申請專利範圍第3項之SERS活性粒子，其中該吸附的添加物包含選自離子、含硫醇的化合物、聚合物及奈米粒子之材料。
  5. 如申請專利範圍第4項之SERS活性粒子，其中該奈米粒子包括含鐵材料。
  6. 如申請專利範圍第1項之SERS活性粒子，其中該SERS活性粒子具有平的或彎曲的表面。
  7. 如申請專利範圍第1項之SERS活性粒子，其中該SERS活性粒子帶正電。
  8. 如申請專利範圍第1項之SERS活性粒子，其中該分析物包含m-RNA、r-RNA、t-RNA、DNA、DNA-RNA雙 重體、肽核酸(PNA)、限制性內切酶、活化劑、抑制子、核酸酶、聚合酶、組織蛋白、修補酶、或化學治療劑。
  9. 如申請專利範圍第1項之SERS活性粒子，其中該鹽類為LiCl或NaCl。
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