TWI481858B

TWI481858B - 拉曼散射增強基板

Info

Publication number: TWI481858B
Application number: TW102119879A
Authority: TW
Inventors: Ding Zheng Lin; Tsung Dar Cheng; Hsiao Feng Huang; Ping Chen Chen
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2015-04-21
Also published as: US20140362373A1; CN104237195A; TW201447276A; US9500592B2; CN104237195B

Description

拉曼散射增強基板

本發明係有關於一種基板，且特別有關於一種拉曼散射增強基板。

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。

然而，當待測物放置於拉曼散射增強基板時且其乾燥後，會因為溶質(solute)分布不均勻而導致偵測訊號再現性(Reproducibility)不佳，進而影響偵測極限(limit of detection,LOD)。

因此，業界亟需發展一種拉曼散射增強基板，此基板能提高偵測訊號之再現性(Reproducibility)。

本發明提供一種拉曼散射增強基板，包括：一拉曼散射增強活化基板(SERS-active substrate)；以及一圖案化親水區域與一圖案化疏水區域設置於該拉曼散射增強活化基板之上，其中該圖案化親水區域與該圖案化疏水區域之水接觸角差異為約29~90度。

10‧‧‧拉曼散射增強(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)基板

12‧‧‧拉曼散射增強活化基板

14‧‧‧圖案化親水區域

16‧‧‧圖案化疏水區域

T1‧‧‧圖案化親水區域之厚度

P‧‧‧單位長度

22‧‧‧拉曼散射增強活化基板

24‧‧‧圖案化親水區域

26‧‧‧圖案化疏水區域

T2‧‧‧圖案化疏水區域之厚度

32‧‧‧拉曼散射增強活化基板

34‧‧‧圖案化親水區域

36‧‧‧圖案化疏水區域

T3‧‧‧圖案化親水區域或圖案化疏水區域之厚度

42‧‧‧基板

44‧‧‧反射層

46‧‧‧介電材料層

48‧‧‧金屬薄膜層

50‧‧‧光阻

52‧‧‧光罩

54‧‧‧親水層

61‧‧‧微影製程

62‧‧‧電漿輔助鍍膜製程

第1A圖為一剖面圖，用以顯示本發明第一實施例之拉曼散射增強基板。

第1B圖顯示第1A圖之俯視圖。

第2A圖為一剖面圖，用以顯示本發明第二實施例之拉曼散射增強基板。

第2B圖顯示第2A圖之俯視圖。

第3A圖為一剖面圖，用以顯示本發明第三實施例之拉曼散射增強基板。

第3B圖顯示第3A圖之俯視圖。

第4A-4C圖顯示本發明製作拉曼散射增強(SERS)基板之製作方法。

第5A-5B圖為一系列剖面圖，用以顯示本發明之拉曼散射增強(SERS)基板上具有多個圖案化親水區域與多個圖案化疏水區域。

第6圖顯示實施例1 與比較例1 之濃度與拉曼訊號之關係圖。

第1A圖顯示本發明第一實施例之拉曼散射增強基板(Surface-enhanced Raman scattering substrate,SERS substate)10，包括：拉曼散射增強活化基板(SERS-active substrate)12；圖案化親水區域14與圖案化疏水區域16設置於拉曼散射增強活化基板12之上。須注意的是，本案之拉曼散射增強活化基板12是一個連續式的拉曼散射增強活化基板，此基板的所有表面上都具有拉曼散射增強效果。

於第1A圖中，圖案化親水區域14為一親水層，圖案化疏水區域16為具有一疏水表面之拉曼散射增強活化(SERS-active)基板12。當親水層之上放置待測物(未顯示於圖中)時，親水層之厚度T1為約0.01 nm~10 nm。須注意的是，親水層之厚度會影響拉曼訊號，當厚度大於10 nm時，會使得拉曼訊號太低。

圖案化親水區域14之材料包括有機材料或無機材料。有機材料包括聚矽氧烷(polysiloxane)、四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane,TEOS)、四甲氧基矽烷(tetramethoxysilane)、六甲基二矽氧烷(hexamethyldisiloxane,HMDSO)、六甲基二矽氮烷(HMDS)、丁氧化鋁(Aluminum butoxide)、二乙基鋅(Diethylzinc)、三乙基鋁(triethylaluminum)、三甲基鋁(trimethylaluminum)、金屬烷基化合物(metal alkyls)、四異丙烷氧化鈦(titanium tetraisopropoxide)、四丙烷氧化鈦(titanium tetrapropoxide)、金屬烷氧化物(metal alkoxides)、硝酸鋅(Zinc nitrate)、硝酸鋁(Aluminum nitrate)、金屬硝酸物、醋酸鋅、醋酸鋁、醋酸錫、金屬醋酸物、硫酸鋅、硫酸鋁、硫酸亞錫、金屬硫酸物、氯化鋅、氯化鋯、氯化鋁、氯化鈦、金屬氯化物的液體之蒸氣或霧狀物、或上述之組合。無機材料包括二氧化矽(SiO₂ )、金屬、金屬氧化物或上述之組合，其中金屬包括銀(Ag)、金(Au)、矽(Si)、鋅(Zn)、鋯(Zr)、錫(Sn)、鈦(Ti)、鋇(Ba)、鉑(Pt)、鋁(Al)或上述之組合。

於一較佳實施例中，可使用電漿輔助鍍膜處理(plasma-assisted deposition)，以形成親水層於拉曼散射增強活化(SERS-active)基板12上，進行電漿輔助鍍膜時，可使用之前驅物(precursor)例如：聚矽氧烷(polysiloxane)、四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane,TEOS)、四甲氧基矽烷(tetramethoxysilane)、六甲基二矽氧烷(hexamethyldisiloxane,HMDSO)、六甲基二矽氮烷(HMDS)、丁氧化鋁(Aluminum butoxide)、二乙基鋅(Diethylzinc)、三乙基鋁(triethylaluminum)、三甲基鋁(trimethylaluminum)、金屬烷基化合物(metal alkyls)、四異丙烷氧化鈦(titanium tetraisopropoxide)、四丙烷氧化鈦(titanium tetrapropoxide)、金屬烷氧化物(metal alkoxides)、金屬硝酸物(metal nitrate)、金屬醋酸物(metal acetate)、金屬硫酸物(metal sulphate)、金屬氯化物(metal chloride)或上述之組合。

於一實施例中，圖案化親水區域14與圖案化疏水區域16之水接觸角(water contact angle)差異為90度。於另一些實施例中，圖案化親水區域14與圖案化疏水區域16之水接觸角(water contact angle)差異為約29~90度。

須注意的是，本發明藉由改變拉曼散射增強活化基板12的表面特性，而形成圖案化親水區域14與圖案化疏水區域16，使各區域之間產生水接觸角之差異，因此，當待測物乾燥後，待測物能夠均勻地分佈於圖案化親水區域14或圖案化疏水區域16上，以達到濃縮的效果，進而提升偵測訊號之再現性。

此外，於一實施例中，本發明之圖案化疏水區域16與圖案化親水區域14之面積比為0.1~0.9。於另一實施例中，本發明之圖案化疏水區域16與圖案化親水區域14之面積比為0.4~0.7。

第1B圖顯示第1A圖之俯視圖。由第1B圖可知，圖案化親水區域14為圓形。然而，圖案化親水區域14之圖案包括規則形狀或不規則形狀，其中規則形狀並不限於圓形，其他規則形狀，例如矩形、三角形亦在本發明之保護範圍內。

請再次參見第1B圖，圖案化親水區域14與圖案化疏水區域16組成一個結構單位，此結構單位之單位長度P為0.05 μm~500 μm。此處所謂之「結構單位」為待測物乾燥後均勻分布的範圍，此範圍等於或小於雷射光之聚焦光點，一般攜帶式拉曼光譜儀光點約小於500 μm。

第2A圖顯示本發明第二實施例之拉曼散射增強基板(Surface-enhanced Raman scattering substrate,SERS substrate)20，包括：拉曼散射增強活化基板(SERS-active substrate)22；圖案化親水區域24與圖案化疏水區域26設置於拉曼散射增強活化基板22之上。

於第2A圖中，圖案化疏水區域26為一疏水層，圖案化親水區域24為具有一親水性表面之拉曼散射增強活化(SERS-active)基板22。圖案化疏水區域26之材質包括聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene)、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯矽烷(1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane)及上述之組合。

須注意的是，只有位於待測物正下方區域的厚度會影響待測物之拉曼偵測訊號，因此，於第2A圖中，當待測物(未顯示於圖中)放置於親水性表面之拉曼散射增強基板之上時，圖案化疏水性區域26之厚度T₂ 不限於小於10 nm。當待測物放置於疏水層之上時，圖案化疏水性區域26之厚度T₂ 為約0.01 nm~10 nm。

第2B圖顯示第2A圖之俯視圖。由第2B圖可知，圖案化親水區域24為矩形。然而，圖案化親水區域24之圖案包括規則形狀或不規則形狀，其中規則形狀並不限於矩形，其他規則形狀，例如圓形、三角形亦在本發明之保護範圍內。

請再次參見第2B圖，圖案化親水區域14與圖案化疏水區域16組成一個偵測單位，此偵測單位之單位長度P為0.05 μm~500 μm。

第3A圖顯示本發明第三實施例之拉曼散射增強基板(Surface-enhanced Raman scattering substrate,SERS substrate)30，包括：拉曼散射增強活化基板(SERS-active substrate)32；圖案化親水區域34與圖案化疏水區域36設置於拉曼散射增強活化基板32之上。

於第3A圖中，圖案化親水區域34為親水層，圖案化疏水區域36為疏水層。親水層之材料如同第一實施例所述，疏水層之材料如同第二實施例所述，在此不再贅述。

須注意的是，只有位於待測物正下方區域的厚度會影響待測物之拉曼偵測訊號，因此，於第3A圖中，當親水層之上放置待測物(未顯示於圖中)時，圖案化親水性區域34之厚度T3為約0.01 nm~10 nm。當疏水層之上放置待測物時，圖案化疏水性區域36之厚度T3為約0.01 nm~10 nm。

第3B圖顯示第3A圖之俯視圖。由第3B圖可知，圖案化親水區域34為矩形，而圖案化疏水區域36為矩形。然而，規則形狀並不限於矩形，其他規則形狀，例如圓形、三角形，甚至不規則形狀亦在本發明之保護範圍內。

請參見第4A-4C圖，該些圖顯示本發明製作拉曼散射增強(SERS)基板之製作方法。

請參見第4A圖，基板42之上依序設置反射層44、介電材料層46與金屬薄膜層48。基板42具有週期性奈米結構，週期性奈米結構之深寬比(aspect ratio)為0.1~3。基板42、反射層44、介電材料層46與金屬薄膜層48組成一拉曼散射增強活化基板。

反射層44係順應性地(conformal)設置於具有週期性奈米結構之基板42之上，其作用在於遮蔽基板42，避免基板42的材料本質吸收與避免基板42拉曼背景訊號的影響，因此，反射層44之厚度需大於反射層44材料於操作波長下的集膚深度(skin depth)。

反射層44之反射率大於約70%，較佳為大於85%，反射層44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46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46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48材料包括金、銀、鉑、鐵、鈷、鎳、銅、鋁、鉻或上述之合金。作用為激發表面電漿，提升拉曼光譜強度。本實施例以銀為金屬薄膜材質鍍膜於奈米結構上，形成疏水性的表面。

之後，形成光阻50於部份之金屬薄膜層48之上，藉由光罩52之輔助進行微影製程(lithography process)61，以得到圖案化光阻。

請參見第4B圖，進行電漿輔助鍍膜製程62，以形成親水層54於金屬薄膜層48之上。進行電漿輔助鍍膜製程62時，可使用之前驅物(precursor)例如：四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane,TEOS)、四甲氧基矽烷(tetramethoxysilane)、六甲基二矽氧烷(hexamethyldisiloxane,HMDSO)、六甲基二矽氮烷(HMDS)、丁氧化鋁(Aluminum butoxide)、二乙基鋅(Diethylzinc)、三乙基鋁(triethylaluminum)、三甲基鋁(trimethylaluminum)、金屬烷基化合物(metal alkyls)、四異丙烷氧化鈦(titanium tetraisopropoxide)、四丙烷氧化鈦(titanium tetrapropoxide)、金屬烷氧化物(metal alkoxides)、金屬硝酸物(metal nitrate)、金屬醋酸物(metal acetate)、金屬硫酸物(metal sulphate)、金屬氯化物(metal chloride)或上述之組合。

請參見第4C圖，移除光阻50，其中一部份的金屬薄膜層48之上具有親水層54，一部份的金屬薄膜層48之上不具有親水層54，因此，製作出具有圖案化親水區域(有親水層54之區域)與圖案化疏水區域(無親水層54之區域)的拉曼散射增強基板40。

須注意的是，於第4C圖中，因為基板42具有週期性奈米結構，因此，最後圖案化疏水區域為具有奈米結構之疏水性表面。而於另一實施例中，圖案化親水區域為具有奈米結構之親水性表面。

請參見第5A-5B圖，該些圖顯示本發明之拉曼散射增強(SERS)基板上具有多個圖案化親水區域14與多個圖案化疏水區域16。於第5A圖中，圖案化親水區域14為規則排列，且每一個圓形的圖案化親水區域14與其周圍的圖案化疏水區域16組成一個偵測單位，此偵測單位之單位長度P為0.05 μm~500 μm。須注意的是，第5A圖中的圖案化親水區域14為一親水層，其具有厚度為約0.01 nm~10 nm，而圖案化疏水區域16為具有疏水表面之拉曼散射增強活化(SERS-active)基板12。

於第5B圖中，圖案化親水區域14為不規則排列。

相較於不具有圖案化親水區域與圖案化疏水區域的比較例，本發明實施例之拉曼散射增強基板能使待測物均勻地分佈於圖案化親水區域或圖案化疏水區域，因此能提升定量量測的準確性並提高訊號強度以降低偵測極限。

綜上所述，本發明所提供之拉曼散射增強基板，藉由圖案化親水性區域與圖案化疏水區域具有水接觸角之差異為約29~90度，使待測物可均勻地分佈於特定區域中而達到濃縮的效果，進而提高偵測訊號且降低偵測極限(LOD)。

【實施例】 實施例1 製作拉曼散射增強(SERS)基板

請參見第4A-4C圖，該些圖顯示製作拉曼散射增強(SERS)基板之製作方法。於第4A圖中，基板42之上依序形成35 nm的金44，100 nm的二氧化矽作為介電材料層46、15 nm的銀作為金屬薄膜層48，最上層的銀奈米結構會形成疏水性的表面。之後進行微影製程，以形成圖案化光阻於部份之(疏水性)金屬薄膜層48上。

請參見第4B圖，進行電漿輔助鍍膜製程，以形成親水層54於(疏水性)金屬薄膜層48之上。電漿輔助鍍膜製程之條件為通入四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane,TEOS)之前驅物，於室溫，一大氣壓力，30度℃加熱六甲基二矽氧烷(hexamethyldisiloxane,HMDSO)單體6秒，鍍上10 nm的二氧化矽。

請參見第4C圖，移除光阻50，其中一部份的(疏水性)金屬薄膜層48之上具有親水層54，一部份的(疏水性)金屬薄膜層48之上不具有親水層54，因此，製作出具有圖案化親疏水區域的拉曼散射增強基板40。

表1顯示圖案化親水區域與圖案化疏水區域之水接觸角。

實施例1 偵測待測物之拉曼訊號

將10^-3 M~10^-5 M的三聚氰胺(melamine)水溶液(液滴大小為0.5 μL)滴於實施例1 之基板後，靜置於室溫20℃，相對溼度50%的恆溫恆濕環境中自然乾燥，放置時間大約1小時液滴能夠完全乾燥。

之後，進行SERS訊號量測。為了比較乾燥後三聚氰胺溶質(solute)分布均勻性，每個濃度分別於基板上隨機選取六個點進行SERS訊號量測，偵測特徵拉曼鋒值(685 cm^-1 )的訊號強度，並將訊號強度加以平均並計算其標準差(STDEV)。

比較例1 為第4A圖之拉曼散射增強基板，其上並未具有任何的圖案化區域。

表2顯示實施例1 之SERS訊號。表3顯示比較例1 之SERS訊號。與比較例1 相比，本案實施例1 的拉曼散射增強基板能使待測物均勻分佈(標準差變小)且提高訊號強度(提高約3倍)。

第6圖顯示實施例1 與比較例1 之濃度與拉曼訊號之關係圖。由第6圖中可知，偵測極限(LOD)從0.72 ppm(比較例1 )提高至0.25 ppm(實施例1 )，濃度曲線的線性度(R² )從0.752提升至0.939。

實施例4~10

實施例4~10 類似於實施例1 ，差別僅在於所形成之親水層54為不同材料。

表4顯示不同親水層材料與其水接觸角。由表4可知，圖案化親水區域與圖案化疏水區域之水接觸角差異為約29~90度時，其親疏水材料邊界對於液滴具有侷限的效果。於表4中，效果描述”OK”代表親疏水材料邊界對於液滴具有侷限的效果，效果描述”NG”代表親疏水材料邊界對於液滴無侷限效果，因此，液滴會擴散。

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(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)基板

12‧‧‧拉曼散射增強活化基板

14‧‧‧圖案化親水區域

16‧‧‧圖案化疏水區域

T1‧‧‧圖案化親水區域之厚度

Claims

一種拉曼散射增強基板(SERS substrate)，包括：一拉曼散射增強活化基板(SERS-active substrate)；以及一圖案化親水區域與一圖案化疏水區域設置於該拉曼散射增強活化基板之上，其中該圖案化親水區域與該圖案化疏水區域之水接觸角差異為29~90度。
如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該圖案化親水區域之材料包括有機材料或無機材料。
如申請專利範圍第2所述之拉曼散射增強基板，其中該有機材料包括聚矽氧烷(polysiloxane)、四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane,TEOS)、四甲氧基矽烷(tetramethoxysilane)、六甲基二矽氧烷(hexamethyldisiloxane,HMDSO)、六甲基二矽氮烷(HMDS)、丁氧化鋁(Aluminum butoxide)、二乙基鋅(Diethylzinc)、三乙基鋁(triethylaluminum)、三甲基鋁(trimethylaluminum)、金屬烷基化合物(metal alkyls)、四異丙烷氧化鈦(titanium tetraisopropoxide)、四丙烷氧化鈦(titanium tetrapropoxide)、金屬烷氧化物(metal alkoxides)、硝酸鋅(Zinc nitrate)、硝酸鋁(Aluminum nitrate)、金屬硝酸物、醋酸鋅、醋酸鋁、醋酸錫、金屬醋酸物、硫酸鋅、硫酸鋁、硫酸亞錫、金屬硫酸物、氯化鋅、氯化鋯、氯化鋁、氯化鈦、金屬氯化物的液體之蒸氣或霧狀物、或上述之組合。
如申請專利範圍第2項所述之拉曼散射增強基板，其中該無機材料包括二氧化矽(SiO₂ )、金屬、金屬氧化物或上述之組合。
如申請專利範圍第4項所述之拉曼散射增強基板，其中該金屬包括銀(Ag)、金(Au)、矽(Si)、鋅(Zn)、鋯(Zr)、錫(Sn)、鈦(Ti)、鋇(Ba)、鉑(Pt)、鋁(Al)或上述之組合。
如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該圖案化疏水區域之材質包括聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethene)、1H,1H,2H,2H-全氟辛基三氯矽烷(1H,1H,2H,2H-Perfluorooctyltrichlorosilane)及上述之組合。
如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該圖案化親水區域與該圖案化疏水區域之圖案各自包括規則形狀或不規則形狀。
如申請專利範圍第7項所述之拉曼散射增強基板，其中該規則形狀包括圓形、矩形或三角形。
如申請專利範圍第7項所述之拉曼散射增強基板，其中該該圖案化親水區域或該圖案化疏水區域之圖案為規則形狀時，該圖案化親水區域或該圖案化疏水區域之單位長度為0.05μm~500 μm。
如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該圖案化疏水區域與該圖案化親水區域之面積比為0.1~0.9。
如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該圖案化親水區域為一親水層，該圖案化疏水區域為具有一疏水表面之該拉曼散射增強活化(SERS-active)基板。
如申請專利範圍第11項所述之拉曼散射增強基板，其中當該親水層之上放置一待測物時，該親水層之厚度為約0.01 nm~10 nm。
如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該圖案化疏水區域為一疏水層，該圖案化親水區域為具有一親水表面之拉曼散射增強活化(SERS-active)基板。
如申請專利範圍第13所述之拉曼散射增強基板，其中當該疏水層之上放置一待測物時，該疏水層之厚度為約0.01 nm~10 nm。
如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該圖案化親水區域為一親水層，該圖案化疏水區域為一疏水層。
如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該圖案化親水區域或該圖案化疏水區域為規則排列或不規則排列。
如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該圖案化親水區域為具有奈米結構之親水性表面。
如申請專利範圍第1項所述之拉曼散射增強基板，其中該圖案化疏水區域為具有奈米結構之疏水性表面。