TWI485389B - 表面增強型拉曼光譜感應器、系統及感應之方法 - Google Patents

Description

表面增強型拉曼光譜感應器、系統及感應之方法

本發明係有關於光譜感應器、系統及感應之方法，特別是表面增強型拉曼光譜感應器、系統及感應之方法。

未知物質的偵測和辨識(或至少分類)長期都帶來很大的興趣，並且近年來呈現出更大的重要性。具有精確偵測和辨識的特殊前景方法是多樣形式的光譜學，特別是採用拉曼散射者。可以使用當材料被電磁輻射形式(譬如可見光)照射時所導致的吸收光譜和發射光譜當中一或二者，而將光譜用於分析、定出特徵和辨識物質或材料。照射材料所產生的吸收和發射光譜決定了材料的光譜「指紋」(fingerprint)。一般而言，光譜指紋是特定材料的特徵而有助於辨識該材料。最有力的光學發射光譜技術則是基於拉曼散射。

拉曼散射光學光譜或簡稱拉曼光譜乃採用光子被照射材料的內部結構所非彈性散射而產生的發射光譜或其光譜成分。包含於非彈性散射所產生之回應訊號(譬如拉曼散射訊號)的這些光譜成分可以有助於判定分析物種的材料特徵，包括但不限於辨識分析物。表面增強型拉曼散射(surface enhanced Raman scattering，SERS)光學光譜是一種採用拉曼活性表面的拉曼光譜形式。SERS可以顯著增強特定分析物種所產生之拉曼散射訊號的訊號程度或強度。

於一實施例中揭示一種表面增強型拉曼光譜(SERS)感應器，其包括：感應基板，其包括至少二根隔開的奈米棒，其第一末端附著於該感應基板，該等奈米棒的第二末端係可移動成彼此緊密鄰近，該等奈米棒包括拉曼活性表面；以及奈米顆粒，其具有包括拉曼訊號產生器的官能化表面，該奈米顆粒係獨立於該等奈米棒，而介於該奈米顆粒和緊密鄰近的該等奈米棒的第二末端之間的交互作用係可偵測的。

於另一實施例中揭示一種表面增強型拉曼光譜(SERS)感應器系統，其包括：SERS感應器，其包括感應基板，感應基板包括隔開的奈米棒，其在第一末端附著於該感應基板，該等奈米棒的第二末端係可移動成彼此緊密鄰近，該等奈米棒包括拉曼活性表面；並且SERS感應器包括官能化的奈米顆粒，其獨立於該等奈米棒以與緊密鄰近的該等奈米棒第二末端交互作用而產生拉曼訊號；照射源，其指向緊密鄰近的該等奈米棒第二末端；以及拉曼訊號偵測器，其安排成偵測來自緊密鄰近之該等奈米棒第二末端附近的拉曼訊號。

於更另一實施例中揭示一種表面增強型拉曼光譜(SERS)的感應方法，其包括：提供第一末端附著於基板之隔開的奈米棒，該等奈米棒的第二末端係可移動成彼此緊密鄰近，該等奈米棒包括拉曼活性表面；提供獨立於該等 奈米棒的奈米顆粒，該等奈米顆粒係官能化的；將該等奈米顆粒和該等奈米棒暴露於分析物；照射該等奈米顆粒和緊密鄰近的該等奈米棒第二末端之間的交互作用以產生拉曼訊號；以及偵測該分析物對該拉曼訊號所造成的效應。

SERS可以用於廣泛多樣的偵測和辨識分析用途。然而，可能會有難以使用SERS來偵測所要偵測之分析物種(例如生物或化學物種)的情形。舉例而言，分析物種的量可能太小或太稀而無法偵測，或者分析物種的分子可能太大或太麻煩而無法捉來偵測或無法用幾個奈米尺寸間隙來產生拉曼「熱點」(hot-spot)。依據在此所述原理的範例則提供偵測龐大分子和微量的多樣分析物種。

於某些範例，提供的SERS感應器包括感應基板，基板上包括至少二根隔開的奈米棒。奈米棒在第一末端乃錨固於基板，並且奈米棒在其第二末端係可移動成彼此緊密鄰近。奈米棒包括拉曼活性表面。SERS感應器進一步包括奈米顆粒，其表面上係被官能化。奈米顆粒的官能化表面有助於奈米顆粒和奈米棒之間的交互作用，其係可偵測的，舉例而言，交互作用可以涉及分析物或者受到分析物的影響。

於某些範例，提供的SERS感應器系統包括SERS感應器，其包括奈米棒感應基板和官能化的奈米顆粒；並且進一步包括當緊密鄰近時指向奈米棒第二末端的照射源，以 及安排成偵測來自緊密鄰近的奈米棒第二末端附近之拉曼訊號的拉曼訊號偵測器。於某些範例，提供的SERS感應方法包括將SERS感應器暴露於分析物、照射緊密鄰近的奈米棒第二末端以產生拉曼訊號、偵測分析物對拉曼訊號所造成的影響。於某些範例，SERS感應器系統和方法可以提供以SERS感應器來多工處理多樣的分析物。

如在此所使用，冠詞「一」(a)乃打算具有其在專利領域的通常意義，亦即「一或更多者」。舉例而言，「一奈米顆粒」意謂一或更多個奈米顆粒，如此則「奈米顆粒」在此明確意謂「(多個)奈米顆粒」。同時，在此任何參考「頂」、「底」、「高」、「低」、「上」、「下」、「前」、「後」、「第一」、「第二」、「左」或「右」乃不打算在此為限制性的。在此，「約」(about)一詞當用於數值時一般意謂加或減10%，或在所用測量技術的正常公差裡，除非另有明確指定。在此提供的任何數值範圍包括在所提供範圍裡面或之間的數值和範圍。再者，在此的範例乃打算僅係示範性的，並且是為了討論而非限制才提出。

在此的「奈米棒」(nanorod)乃定義為伸長的奈米尺度結構，其長度(或高度)超越在垂直於長度的平面中之奈米尺度的截面維度(譬如寬度)達好幾倍(譬如長度大於寬度約2倍)。一般而言，奈米棒的長度乃遠大於奈米棒的寬度或截面維度。於某些範例，長度超越截面維度(或寬度)達超過4到10倍。舉例而言，寬度可以為約130奈米(nm)，而高度可以為約500奈米。於另一範例，奈米棒基底的寬度範圍 可以在約20奈米和約200奈米之間，而長度可以大於約0.5微米(μm)。於某些範例，奈米棒一般的形狀是柱狀，而其截面具有曲線的或小切面的周邊。於另一範例，奈米棒可以是圓錐形，而基底的寬度範圍從約100奈米到約500奈米，而長度或高度的範圍可以在約半微米和幾微米之間。於某些範例，奈米棒是可撓的；於其他範例，奈米棒是剛性的或半剛性的，前提是相鄰奈米棒的自由末端可以移動成為彼此緊密鄰近，如後面所進一步描述。

在此的「奈米顆粒」(nanoparticle)乃定義為具有實質類似長度、寬度和深度的奈米尺度結構。舉例而言，奈米顆粒的形狀可以是圓球形、橢球形、有小切面的圓球形或橢球形、立方體、五面體或六面體...等。奈米顆粒的尺寸(例如直徑)範圍可以從約5奈米到約200奈米。於某些範例，奈米顆粒的直徑範圍可以在約50奈米到約100奈米、約25奈米到約100奈米、約100奈米到約200奈米、約10奈米到約150奈米、或約20奈米到約200奈米。如在此所進一步定義，「奈米顆粒」與後述的「奈米顆粒催化劑」(nanoparticle catalyst)或「催化性奈米顆粒」(catalyst nanoparticle)和奈米顆粒層或披覆有所區別。尤其，在此定義的「奈米顆粒」是自由或獨立於奈米棒，然而在此所述的奈米顆粒催化劑和奈米顆粒層或披覆乃視為奈米棒的整合部分而相較於「奈米顆粒」則具有不同的功能。

圖1示範根據在此所述原理範例之SERS感應器100的示意立體圖。SERS感應器100包括具有官能化表面132的 奈米顆粒130以及具有表面分布了至少二根相鄰奈米棒120而隔開於基板表面上的感應基板110。奈米顆粒130是獨立於奈米棒120並且提供成與奈米棒120交互作用。於某些範例，基板110的表面上可以有二、三、四、五或六...等多個隔開的奈米棒120。再者，隔開的奈米棒120可以在基板表面上群集成由至少二根相鄰奈米棒所構成的多組。圖1舉例且為了簡單起見而示範四根此種相鄰的奈米棒120。

奈米棒120乃使用任何多樣的技術而製造於基板表面上，包括但不限於三維壓印方法、浮雕、化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)生長法、蝕刻和輥對輥法。於某些範例，奈米線生長可以採用氣固(vapor-solid，V-S)生長法和溶液生長法當中一者。於其他範例，生長可以經由導引或促進的自我組織技術所實現，例如但不限於聚焦離子束(focused ion beam，FIB)沉積和雷射感應的自我組合。於另一範例，奈米棒可以使用蝕刻法所產生，例如但不限於反應性離子蝕刻，以移除週遭材料而留下奈米棒。

每根奈米棒120在第一末端乃錨固或附著於基板110，並且具有第二、相對的末端122，其係自由或未附著的。奈米棒120的第二末端122具有頂端，其舉例來說可以是圓化的(譬如圓頂化)形狀(如圖在此所示範)、實質平坦的或實質尖頂的(後二者未示範)。舉例而言，奈米棒120可以具有用於實現奈米棒120之方法(譬如VLS生長)所自然造成的頂端。於其他範例，頂端舉例來說可以進一步做處理以賦予特定的形狀給奈米棒120的第二末端122。舉例而言，頂 端可以例如使用化學機械拋光而加以平坦化。「尖」(pointed)意謂頂端是從奈米棒120的截面尺寸逐漸變細到在第二末端122的終點。在頂端通往終點的表面之間一般具有相對尖銳的內彎角度。

於某些範例，奈米棒120可以在第二末端122的頂端包括催化性奈米顆粒，舉例而言這是用於形成奈米棒120之方法(譬如催化性VLS生長)的結果。於這些範例，在第二末端122的催化性奈米顆粒頂端乃整合於奈米棒120。「整合」(integral)意謂奈米棒120在其頂端乃形成有奈米顆粒催化劑(亦即奈米顆粒催化劑在此視為奈米棒的一部分)。奈米顆粒催化劑材料的範例包括但不限於金矽合金和矽化鈦(TiSi₂ )。於某些範例，奈米顆粒催化劑可以是拉曼活性材料，其進一步賦予奈米尺度的表面粗糙度以增強奈米棒120的拉曼活性表面。

於某些範例，奈米棒120是由具有充分可撓性以沿著長度彎曲的材料所做成。於某些範例，奈米棒120可以包括無機材料，其具有充分的可撓性以彎曲。於其他範例，奈米棒120包括聚合材料，其具有充分的可撓性以彎曲。奈米棒材料是充分可撓的以彎曲，如此則相鄰而隔開之奈米棒120的第二末端122可以移動成為彼此緊密鄰近。「緊密鄰近」(close proximity)意謂奈米棒的第二末端122移動到彼此相距0到約10奈米或彼此相距0到約15奈米，或者彼此的距離當被照射源照射時足以集中拉曼訊號。舉例而言，一或更多根相鄰奈米棒120的奈米棒第二末端122當 緊密鄰近時可以接觸。再者，舉例而言，當緊密鄰近時，奈米棒的第二末端貫穿照射源的光路徑。如此，則奈米棒彼此成組或群的間隔距離足以允許奈米棒的第二末端移動成彼此成組的緊密鄰近。

於某些範例，奈米棒120之充分可撓的聚合材料包括但不限於聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、矽氧烷、聚碳酸酯、光敏阻劑材料、奈米壓印阻劑材料以及其他包括單體、寡聚物、聚合物當中一或更多者的熱塑性聚合物和紫外線(ultra-violet，UV)可熟化的材料、或這些任意的組合。於其他範例，奈米棒120之充分可撓的無機材料包括但不限於矽、氧化矽、氮化矽、氧化鋁、鑽石、類似鑽石的碳、鋁、銅及這些無機材料的任何組合。於某些範例，奈米棒120可以包括聚合材料和無機材料的組合而具有上面定義的充分可撓性。

於某些範例，感應基板110是由剛性的或半剛性的材料所做成，其包括但不限於玻璃、聚合物、矽、陶瓷、金屬、金屬氧化物。於其他範例，感應基板110可以是由相對可撓的材料所做成，或者包括奈米棒120所附著的可撓性材料層。舉例而言，基板的可撓性材料或基板上的可撓性材料可以是對刺激有回應的材料，其回應於外部施加的刺激而改變尺寸、形狀、體積(譬如比體積)當中一或更多者。尤其如在此所定義，對刺激有回應的材料當暴露於施加的刺激所改變的尺寸、形狀或體積係足以使相鄰奈米棒120的第二末端122在隔開的組態(不活性的)和緊密鄰近 (活性組態)之間移動。於存在對刺激有回應的材料或可撓的基板，奈米棒120可以是可撓性的、剛性的或半剛性的。刺激的範例包括但不限於pH、溫度、電磁場、吸著物、吸著物中的物質濃度、多樣的特定化學觸發物當中一或更多者。「吸著物」(sorbate)一般是可以被對刺激有回應的材料使用例如吸收、吸附或吸收和吸附的組合當中一或更多者所取走的任何材料。於某些範例，吸著物是水、水溶液、有機材料當中一者。於某些範例，對刺激有回應的材料可以包括水凝膠或類似的超吸收聚合物(super absorbent polymer，SAP)。水凝膠的範例包括但不限於交聯的聚丙烯醯胺和聚丙烯酸酯。

於某些範例，奈米棒120使用多樣機制當中一或更多者而可移動成緊密鄰近和不緊密鄰近，該機制舉例而言包括但不限於微毛細管力、凡得瓦交互作用、電荷、電磁力、機械力、溫度、pH。於某些範例，移動成緊密鄰近和不緊密鄰近是可逆的；但是於其他範例，移動可以是相對不可逆的。舉例而言，奈米棒可以是由各具有不同熱膨脹速率的二種不同材料所做成，其使相鄰的奈米棒隨著溫度而可逆的彎曲成彼此緊密鄰近。於另一範例，由於奈米棒周圍溶劑蒸發所造成的微毛細管力則使相鄰的奈米棒移動成為緊密鄰近(例如藉由彎曲)，然而再引入溶劑可以使奈米棒的第二末端移動成為不緊密鄰近。

於某些範例，奈米棒120包括拉曼活性表面(未示範)。拉曼活性表面的範圍可以從在整個奈米棒120上的拉曼活 性材料披覆到集中在奈米棒120之第二末端122的披覆。根據在此定義，拉曼活性材料是於拉曼光譜期間有助於拉曼散射以及產生或發射拉曼散射訊號的材料。拉曼活性材料包括但不限於金、銀、鉑和其他貴金屬，以及還有鋁、銅和這些金屬的任意組合，其舉例而言呈合金或層的形式。舉例來說，拉曼活性表面可以包括約10奈米到約100奈米厚之銀層再外覆以約1奈米到約50奈米之金層的多層結構。於某些範例，拉曼活性表面可以包括具有銀外覆層的金層。於某些範例，拉曼活性表面是以物理氣相沉積方法所形成，例如電子束蒸鍍、熱蒸鍍或濺鍍。拉曼活性材料將不僅形成於奈米棒頂端上，也可以落在奈米棒的側壁上以及基板上沒有奈米棒錨固或附著之處。

於某些範例，拉曼活性表面包括具有奈米尺度之表面粗糙度的一或多層(譬如一般披覆以金屬)而可以增強拉曼散射。奈米尺度的表面粗糙度一般是由該層表面上之奈米尺度的表面特色所提供。奈米尺度的表面粗糙度舉例而言可以於沉積拉曼活性材料層(譬如金沉積)期間自動產生。於另一範例，可以刻意地導引出表面粗糙度(譬如使用雷射光束)。於某些範例，拉曼活性表面包括一層披覆奈米棒表面的奈米顆粒。舉例而言，單層的金奈米顆粒可以用於披覆奈米棒120並且產生拉曼活性表面。舉例來說，奈米顆粒層可以提供奈米尺度的粗糙度而增強拉曼散射。於某些範例，奈米棒上的拉曼活性材料可以呈「冰上曲棍球餅」(ice hockey puck)的形狀而具有圓化的邊緣。依據在此的原理， 奈米棒的第二末端122(特別是緊密鄰近者)舉例而言乃做為奈米天線來集中照射場以增強拉曼散射訊號的強度。於此範例，披覆奈米棒的奈米顆粒層相對於奈米顆粒130而言乃整合於奈米棒120或是奈米棒120的整合部分，其於底下進一步描述。

於某些範例，奈米棒120進一步包括官能化表面，尤其在奈米棒的第二末端122上。於某些範例，官能化表面包括部分127，其具有選擇性的或特定的鍵聯或結合能力。部分127的鍵聯或結合能力對於分析物或另一聯基而言是有選擇性的，如底下所進一步描述。如此，則奈米棒120的官能化表面有助於與分析物或其他聯基的交互作用，其當奈米棒的第二末端122緊密鄰近時是可偵測的。於某些範例，奈米棒120的官能化表面進一步包括阻擋劑129，其建構成阻擋對奈米棒120(包括對第二末端122)的非特定黏結，也如底下所進一步敘述。

SERS感應器100進一步包括具有官能化表面132的奈米顆粒130，其係獨立於或非整合於奈米棒120。奈米顆粒130可以是由包括但不限於金屬、半導體、量子點、介電質及其組合的材料所做成。舉例而言，奈米顆粒130可以是由披覆金屬之聚合物顆粒所做成。奈米顆粒130的官能化表面132包括拉曼訊號產生器以產生拉曼散射訊號或「拉曼訊號」(Raman signal)。於某些範例，拉曼訊號產生器是拉曼染料135。可以使用做為拉曼訊號產生器的拉曼染料範例包括但不限於花青素染料(譬如Cy3和Cy5)、玫塊紅6G、4- 巰苯、4-硝苯硫酚、苯基衍生物、吡啶基衍生物。

於某些範例，奈米顆粒130的官能化表面132進一步包括部分137，其具有選擇性的或特定的鍵聯或結合能力。部分137的鍵聯或結合能力對於分析物或奈米棒120上的聯基127而言是有選擇性的。如此，則奈米顆粒130的官能化表面132有助於奈米顆粒130和奈米棒120之間的交互作用，其當奈米棒的第二末端122彼此緊密鄰近時係可偵測的。於某些範例，拉曼染料135可以鍵聯於選擇性的聯基137而非鍵聯於奈米顆粒表面132。於此範例，鍵聯可以是化學鍵結，其中聯基-拉曼染料物種提供奈米顆粒130同時具有拉曼訊號產生器和對分析物或聯基127有選擇性鍵聯的能力。圖1舉例示範在奈米顆粒130之官能化表面132上的聯基137和分開的拉曼染料135。

於某些範例，奈米顆粒130和奈米棒120的官能化表面進一步包括個別的阻擋劑129、139，其建構成獨立地阻擋對奈米棒120和奈米顆粒130的非特定黏結。阻擋劑的範例包括但不限於聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯啶酮(PVP)、聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯順丁烯二酸(PAMA)及這些的任何組合。阻擋劑的其他範例包括但不限於牛血清蛋白(BSA)、酪蛋白、奶類、聚L-離胺酸、磷硫酯寡去氧核苷酸(PS-ODN)、Tween-20、Triton X-100、魚膠或全血清及其當中任一或更多者的組合。尤其，在奈米棒120表面和在奈米顆粒130表面之個別的阻擋劑129、139有助於感應器100在存在分析物時的奈米顆粒130和奈米棒120 之間的交互作用，其係可偵測的。

依據在此的原理，奈米顆粒130和奈米棒120之間的交互作用涉及結合或解離。於某些範例，交互作用是結合。於結合，舉例而言，奈米顆粒130上的聯基137乃建構成選擇性地結合特定的分析物。存在特定的分析物時，奈米顆粒的聯基137黏結或結合於特定的分析物，舉例而言是於分析物的特定黏結位置。舉例來說，分析物可以是選自核酸、蛋白質、碳水化合物、脂質、病毒、病毒副產物、細菌、細菌副產物、其他有毒的微生物及其副產物、毒素、毒劑、藥物、化學品、其任一者的部分及其當中一或更多者的組合。奈米顆粒130暴露於包括特定分析物的環境則導致經由奈米顆粒的聯基137而使分析物和奈米顆粒130之間有所結合。結果，形成了分析物-奈米顆粒錯合物。視分析物而定，環境可以是流體，例如氣態環境或液態環境。於某些範例，包括奈米顆粒130和分析物的液態溶液可以是緩衝溶液(亦即分析物共軛溶液)。

再者，於結合，奈米棒第二末端122上的聯基127乃建構成對上述同一分析物而言是有選擇性的，雖然該選擇性是針對同一分析物上的不同、分開的黏結位置或是針對同一分析物而有不同、分別的黏結機制。當暴露於溶液中的分析物-奈米顆粒錯合物時，舉例而言，奈米棒第二末端122上的聯基127黏結或結合於同一分析物，其在分析物上的位置乃不同於奈米顆粒130所黏結的位置。當奈米棒的第二末端122彼此緊密鄰近時，感應基板110的奈米棒120 與分析物-奈米顆粒錯合物之間的交互作用是可偵測的。舉例而言，交互作用之奈米顆粒130上的拉曼染料135乃建構成產生拉曼散射訊號，其由緊密鄰近的奈米棒第二末端122所增強。因此，根據在此所述原理，分析物本身不須要產生用於偵測的拉曼散射訊號。

於範例，分析物是或者包括前列腺特定的抗原(prostate specific antigen，PSA)。奈米棒120上的聯基127和奈米顆粒130上的聯基137可以分別為抗鼠PSA和抗山羊PSA，或者反之亦可。於另一範例，分析物是或者包括抗鏈球菌蛋白或抗生物素蛋白。於此範例，聯基137和127都可以是生物素而分別結合以分析物。

於解離，奈米顆粒130上的聯基137乃建構成選擇性地結合以感應基板110之奈米棒120第二末端122上的聯基127。奈米顆粒的聯基137黏結或結合於奈米棒的聯基127。奈米棒的第二末端122乃緊密鄰近，並且奈米顆粒130上之拉曼染料135所產生的拉曼散射訊號可在奈米棒-奈米顆粒錯合物上偵測到。於解離進一步而言，奈米棒-奈米顆粒錯合物的感應基板110乃暴露於所要偵測的特定分析物。特定的分析物選擇性地攻擊(譬如溶斷或劈開)奈米顆粒聯基137、奈米棒聯基127、聯基127、137的鍵聯類型(譬如鍵結)當中一或更多者，以選擇性地把感應基板110上的奈米顆粒130和奈米棒120之間的結合加以斷開或解離。換言之，聯基137、聯基127、聯基127、137之間的鍵聯類型當中一者乃建構成為特定分析物的特定標靶。奈米顆 粒130和奈米棒120之間的交互作用由於存在特定的分析物而改變(亦即解離)，其藉由解離對奈米顆粒拉曼染料135產生之拉曼散射訊號所造成的效應而是可偵測的。該效應是拉曼散射訊號減少乃正比於分析物從彼此緊密鄰近的奈米棒第二末端122所解離之奈米顆粒130的數目。

依據在此的原理，在奈米棒120和奈米顆粒130上的個別聯基127、137乃建構成選擇性地或特定地黏結、結合或交互作用於特定的分析物或聯基137，127當中另一者。個別的交互作用舉例而言可以獨立地為共價鍵結、離子鍵結、非共價鍵結、氫鍵結、偶極-偶極交互作用當中一或更多者。

舉例而言，奈米顆粒130可以分布了聯基137，其係特定黏結對的成員。特定的黏結對範例包括但不限於受體-配位基、抗體-抗原、酶-活性位置鍵、DNA-RNA、DNA-蛋白質、RNA-蛋白質、互補的核酸對及這些當中一或更多者的組合。舉例而言，特定之受體-配位基黏結對的受體可以在奈米顆粒表面132上官能化成為聯基137(另外可選擇的是使用特定之受體-配位基黏結對的配位基)。此範例的受體聯基137乃建構成黏結特定的配位基，亦即特定黏結對的另一成員。於某些範例，特定的配位基可以是要偵測的分析物，或是要偵測的分析物之部分或副產物(亦即標靶物種)。奈米棒第二末端122上的聯基127也特定地和分別地黏結到要以SERS感應器100藉由結合來偵測之特定的配位基分析物種。

於這些以外的其他範例，特定黏結對的特定配位基或其相關部分可以是在奈米棒第二末端122上的聯基127。奈米顆粒130上的受體部分137和奈米棒第二末端122上的特定配位基部分127在SERS感應基板110上結合。於這些範例，所要偵測的分析物或標靶物種乃特定地和有特徵地溶斷或割斷奈米顆粒130上的受體部分137和奈米棒120上的特定配位基部分127之間某方面鍵聯，其以SERS感應器100藉由解離而被偵測到，如上所述。

可以劈開聯基127、137之間某方面鍵聯的分析物種舉例而言包括但不限於脂酶(用於包含脂質的聯基)、澱粉酶(用於包含澱粉酶、澱粉和麥芽糊精的聯基)、蛋白酶(用於包含蛋白質的聯基)、核酸酶(用於包含核酸的聯基)當中一或更多者。

圖2A~2C依據在此所述原理範例來示範用於感應分析物的結合機制。於圖2A的示意側視圖，包括多個上述官能化奈米顆粒130的拉曼訊息溶液乃暴露於分析物202。對於分析物202有特定性的某些奈米顆粒聯基137乃黏結或結合分析物202而形成分析物-奈米顆粒錯合物的分析物共軛溶液。於圖2B的示意側視圖，奈米棒120的感應基板110乃暴露於分析物共軛溶液。對於分析物-奈米顆粒錯合物中之分析物202另外分開黏結位置有特定性的奈米棒聯基127乃黏結或結合分析物-奈米顆粒錯合物於奈米棒的第二末端而形成奈米棒-分析物-奈米顆粒錯合物。圖2C示範的示意立體圖是蒸發分析物共軛溶液中之溶劑的結果。感應器100 之奈米棒120的第二末端因溶劑蒸發而緊密鄰近，以用於偵測來自奈米棒120所捕捉並且集中在奈米棒第二末端的分析物-奈米顆粒錯合物之官能化奈米顆粒130的拉曼訊號。

圖3A~3C依據在此所述原理範例來示範感應分析物的解離機制。於圖3A的示意側視圖，包括多個上述官能化奈米顆粒130的拉曼訊息溶液乃暴露於上述包括奈米棒120的感應基板110。奈米棒聯基127和奈米顆粒聯基137對彼此具有特定性，舉例而言它們可以是特定黏結對的成員。拉曼訊息溶液中的奈米顆粒130黏結或結合奈米棒120。於圖3B的示意立體圖，來自拉曼訊息溶液的溶劑蒸發而使奈米棒的第二末端緊密鄰近，並且奈米顆粒130集中在感應器100的奈米棒第二末端。感應器100乃暴露於分析物202，其特定攻擊聯基127、137之間的鍵聯或攻擊聯基127、137其中一者，以最終從感應基板110的奈米棒120解離出奈米顆粒130，而當它從緊密鄰近的奈米棒第二末端釋放時，其係可偵測為來自奈米顆粒130上之拉曼染料的拉曼訊號減少。圖3C示範奈米顆粒130從奈米棒第二末端122解離之範例的放大示意側視圖，其係藉由特定的分析物202割斷聯基127、137之間的鍵聯成為一或更多塊。

圖4示範根據在此所述原理範例之SERS感應器系統400的方塊圖。SERS感應器系統400基於奈米顆粒與感應基板上之奈米棒的交互作用，而使用來自奈米顆粒之官能化表面的拉曼散射訊號412來偵測分析物。系統400包括 SERS感應器410，其實質等同於上述的SERS感應器100。系統400進一步包括照射源420和拉曼訊號偵測器430。

照射源420乃指向SERS感應器410的感應基板；照射源420尤其建構成照射感應基板上彼此為緊密鄰近關係之相鄰奈米棒的第二末端或頂端，其亦上述於SERS感應器100。照射源420可以發出照射訊號422，其包括電磁(electromagnetic，EM)輻射束(譬如光學束或光學訊號)，此束的頻率促進官能化奈米顆粒表面發射拉曼散射訊號412。於某些範例，照射源420可以包括雷射，並且照射訊號422可以包括雷射光束。於其他範例，照射源420可以是產生EM輻射的其他機構(譬如發光二極體或白熾光源)。於某些範例，奈米棒的第二末端不會貫穿來自照射源420的照射束，除非或者直到奈米棒的第二末端係彼此緊密鄰近為止才會。

拉曼訊號偵測器430乃安排成偵測來自彼此緊密鄰近之奈米棒第二末端附近的拉曼訊號。尤其，拉曼訊號偵測器430乃建構成接收來自結合了SERS感應器410的感應基板上緊密鄰近之奈米棒第二末端的奈米顆粒官能化表面所產生的拉曼散射訊號412。於某些範例，如果奈米顆粒在存在分析物時從感應基板的奈米棒解離，則拉曼訊號偵測器430乃建構成偵測拉曼散射訊號412的改變(譬如減少)。

於某些未示範的範例，SERS感應器系統400進一步包括多組官能化的奈米顆粒。每組奈米顆粒係在該組奈米顆粒的表面上以不同於其他組奈米顆粒的拉曼染料和對應的 第一聯基而加以官能化。舉例而言，某一組中的拉曼染料異於其他組之處在於所具有的拉曼訊號是不同於其他組的拉曼訊號以分辨諸組。於某些範例，每組的第一聯基相異之處在於係特定結合於不同的分析物或感應基板的不同奈米棒。於其他範例，每組的第一聯基相異之處在於係特定解離於不同的分析物。某一組中的拉曼染料和對應的第一聯基對於特定的分析物具有特定性。特定性將個別的拉曼散射訊號關聯於特定的分析物。

於某些範例(也未示範)，SERS感應器系統400在感應基板上進一步包括多組奈米棒。每組奈米棒在奈米棒上包括第二聯基，其係不同於其他組的奈米棒。第二聯基相異之處在於係特定結合於不同的分析物或奈米顆粒組的不同第一聯基。於其他範例，每組第二聯基相異之處在於係特定解離於不同的分析物。根據這些範例，SERS感應器系統400所提供的特定性有助於以單一SERS感應器410來多工偵測多樣不同的分析物。

圖5根據在此所述原理範例來示範SERS感應方法500的流程圖。SERS感應方法500包括510：提供多根隔開的奈米棒，其在第一末端附著於基板。每根奈米棒具有相對於奈米棒第一末端之自由的第二末端。於某些範例，奈米棒是相對可撓的以彎曲，致使相鄰奈米棒的第二末端係可移動成彼此緊密鄰近。於某些範例，基板是或者包括可撓的材料或對刺激有回應的材料，其有助於相鄰奈米棒的第二末端移動成彼此緊密鄰近。奈米棒包括拉曼活性表面， 舉例而言其集中在第二末端或者成為沿著全部或部分奈米棒長度(包括第二末端)的披覆。再者，奈米棒第二末端的表面乃官能化以聯基。於某些範例，510提供在基板上的奈米棒乃實質等同於上述SERS感應器100之感應基板110上的奈米棒120。

SERS感應方法500進一步包括520：提供多個官能化的奈米顆粒。奈米顆粒在其表面上是官能化的以與奈米棒直接或間接交互作用，但仍獨立於奈米棒。於某些範例，奈米顆粒是以拉曼訊號產生器(例如拉曼染料)以及對分析物或奈米棒第二末端上之官能化聯基有特定性的聯基所官能化。於某些範例，520提供的官能化奈米顆粒乃實質等同於上述SERS感應器100的官能化奈米顆粒130。再者，510、520分別提供基板上的奈米棒和奈米顆粒形成了SERS感應器，其實質等同於上述SERS感應器100，。

SERS感應方法500進一步包括530：將SERS感應器的奈米顆粒和奈米棒暴露於分析物。圖6A依據在此所述原理範例來示範於SERS感應方法500的結合機制而530a：將SERS感應器暴露於分析物的流程圖。於結合，暴露SERS感應器(530a)包括531：將獨立的奈米顆粒暴露於分析物以於溶液中形成分析物-奈米顆粒錯合物；以及533：將溶液中的分析物-奈米顆粒錯合物暴露於奈米棒以於溶液中形成奈米棒-分析物-奈米顆粒錯合物。530a進一步包括535：促使奈米棒的第二末端移動成為緊密鄰近。舉例而言，可以從溶液蒸發溶劑以促使相鄰奈米棒的第二末端之間有緊 密鄰近關係(535)。於其他範例，可以改變溫度、pH和其他物理或化學參數當中一或更多者以促使第二末端緊密鄰近(535)。

圖6B根據在此所述原理另一範例來示範於SERS感應方法500的解離機制而530b：將SERS感應器暴露於分析物的流程圖。於解離，暴露SERS感應器(530b)包括532：將獨立的奈米顆粒暴露於奈米棒以形成奈米棒-奈米顆粒錯合物；534：使奈米棒的第二末端移動成為緊密鄰近；以及536：將第二末端緊密鄰近的奈米棒-奈米顆粒錯合物暴露於分析物。舉例而言，溶劑蒸發、溫度改變、pH改變和其他物理或化學改變當中一或更多者可以用於使相鄰奈米棒的第二末端之間有緊密鄰近關係(534)。

回去參見圖5，SERS感應方法500進一步包括540：照射緊密鄰近的奈米棒第二末端，其係有效照射奈米顆粒和奈米棒第二末端之間的交互作用以產生拉曼訊號。於結合，540的交互作用包括獨立的奈米顆粒和奈米棒第二末端，此二者皆選擇性地結合於奈米棒-分析物-奈米顆粒錯合物中的分析物(亦即奈米顆粒和奈米棒之間的間接交互作用)。於解離，540的交互作用包括獨立的奈米顆粒和緊密鄰近的奈米棒第二末端，其彼此選擇性地結合於奈米棒-奈米顆粒錯合物中(亦即奈米顆粒和奈米棒之間的直接交互作用)，並且分析物選擇性地從奈米棒解離出奈米顆粒。

SERS感應方法500進一步包括550：偵測分析物對來自官能化奈米顆粒之拉曼散射訊號所造成的效應。於結 合，對拉曼散射訊號的效應是產生拉曼散射訊號，此係奈米顆粒和奈米棒與分析物之間的交互作用(亦即間接交互作用)的結果。於解離，對拉曼散射訊號的效應是所產生的拉曼散射訊號減少，此係奈米顆粒和奈米棒之間的交互作用(亦即直接交互作用)的結果。所產生的拉曼散射訊號減少乃由於存在分析物而解離了直接交互作用。

因此，已經描述了SERS感應器、SERS感應器系統和SERS感應方法的範例，其使用分布了奈米棒的感應基板和獨立於奈米棒的官能化奈米顆粒。應該了解上述範例僅係示範出呈現在此所述原理之許多特定範例中的一些而已。熟於此技藝者顯然可以輕易設計出許多其他的安排，而不偏離底下請求項所界定的範圍。

100‧‧‧SERS感應器

110‧‧‧感應基板

120‧‧‧奈米棒

122‧‧‧第二末端

127‧‧‧有選擇性或特定鍵聯或結合能力之部分

129‧‧‧阻擋劑

130‧‧‧奈米顆粒

132‧‧‧官能化表面

135‧‧‧拉曼染料

137‧‧‧有選擇性或特定鍵聯或結合能力之部分

139‧‧‧阻擋劑

202‧‧‧分析物

400‧‧‧SERS感應器系統

410‧‧‧SERS感應器

412‧‧‧拉曼散射訊號

420‧‧‧照射源

422‧‧‧照射訊號

430‧‧‧拉曼訊號偵測器

500‧‧‧SERS感應方法

510~550‧‧‧SERS感應方法步驟

530a、530b‧‧‧暴露SERS感應器的方法

531~536‧‧‧暴露步驟

配合附圖來參考以上的詳細敘述，則可以更容易理解在此所述之原理範例的多樣特色，其中附圖的相同參考數字是指相同的結構元件，並且其中：圖1依據在此所述原理來示範根據範例之表面增強型拉曼光譜(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)感應器的示意立體圖。

圖2A~2C依據在此所述原理來示範根據範例的藉由結合分析物而感應之表面增強型拉曼光譜(SERS)的示意圖。

圖3A~3C依據在此所述原理來示範根據另一範例的藉由與分析物解離而感應之表面增強型拉曼光譜(SERS)的示 意圖。

圖4依據在此所述原理來示範根據範例之表面增強型拉曼光譜(SERS)感應器系統的方塊圖。

圖5依據在此所述原理來示範根據範例之表面增強型拉曼光譜(SERS)感應的方法流程圖。

圖6A依據在此所述原理來示範根據範例而以圖5方法的結合機制將SERS感應器暴露於分析物的流程圖。

圖6B依據在此所述原理來示範根據另一範例而以圖5方法的解離機制將SERS感應器暴露於分析物的流程圖。

特定範例具有其他附加或代替上面參考圖式所示範的特色。這些和其他特色乃參考前面圖式而詳述如上。

100‧‧‧表面增強型拉曼光譜感應器

110‧‧‧感應基板

120‧‧‧奈米棒

122‧‧‧第二末端

127‧‧‧有選擇性或特定鍵聯或結合能力之部分

129‧‧‧阻擋劑

130‧‧‧奈米顆粒

132‧‧‧官能化表面

135‧‧‧拉曼染料

137‧‧‧有選擇性或特定鍵聯或結合能力之部分

139‧‧‧阻擋劑

Claims (15)

1. 一種表面增強型拉曼光譜(SERS)感應器，其包括：感應基板，其包括至少二根隔開的奈米棒，其第一末端附著於該感應基板，該等奈米棒的第二末端係可移動成彼此緊密鄰近，該等奈米棒包括拉曼活性表面；以及奈米顆粒，其具有包括拉曼訊號產生器的官能化表面，該奈米顆粒係獨立於該等奈米棒，而介於該奈米顆粒和緊密鄰近的該等奈米棒的第二末端之間的交互作用係可偵測的。
2. 如申請專利範圍第1項的SERS感應器，其中該拉曼訊號產生器包括拉曼染料，而存在分析物則具有對交互作用的效應以及對來自拉曼染料之拉曼散射訊號的效應，其係可偵測的。
3. 如申請專利範圍第2項的SERS感應器，其中該分析物係選自核酸、蛋白質、碳水化合物、脂質、病毒、病毒副產物、細菌、細菌副產物、其他有毒的微生物及其副產物、毒素、毒劑、藥物、化學品、其任一者的部分及其當中一或更多者的組合。
4. 如申請專利範圍第1項的SERS感應器，其中該奈米顆粒的官能化表面進一步包括第一聯基，該奈米棒進一步包括在該等奈米棒第二末端上的第二聯基，該第一聯基和該第二聯基有助於該奈米顆粒和該等奈米棒第二末端之間的交互作用。
5. 如申請專利範圍第4項的SERS感應器，其中該交互 作用包括該奈米顆粒和該等奈米棒第二末端之間的直接交互作用或者該奈米顆粒和該等奈米棒第二末端之間的間接交互作用，而存在分析物乃建構成有助於該間接交互作用或者解離該直接交互作用。
6. 如申請專利範圍第1項的SERS感應器，其中該等奈米棒和該奈米顆粒的官能化表面各者都進一步包括聯基以及阻擋對該奈米顆粒和該等奈米棒之非特定黏結的阻擋劑，而該交互作用包括該奈米顆粒上的聯基以選擇性地黏結分析物來形成分析物-奈米顆粒錯合物，以及該等奈米棒第二末端上的聯基以選擇性地黏結至該分析物-奈米顆粒錯合物中的分析物以產生可偵測的拉曼訊號。
7. 如申請專利範圍第1項的SERS感應器，其中該等奈米棒和該奈米顆粒的官能化表面各者都進一步包括聯基以及阻擋對該奈米顆粒和該等奈米棒之非特定黏結的阻擋劑，而除了存在分析物之外，該交互作用包括該奈米顆粒上的聯基和該等奈米棒上的聯基以彼此結合，分析物的作用是選擇性地從該等奈米棒解離出該奈米顆粒，該解離係可偵測為藉由該交互作用所產生的拉曼訊號有所減少。
8. 一種表面增強型拉曼光譜(SERS)感應器系統，其包括：SERS感應器，其包括感應基板，感應基板包括隔開的奈米棒，其在第一末端附著於該感應基板，該等奈米棒的第二末端係可移動成彼此緊密鄰近，該等奈米棒包括拉曼活性表面；並且SERS感應器包括官能化的奈米顆粒，其獨 立於該等奈米棒以與緊密鄰近的該等奈米棒第二末端交互作用而產生拉曼訊號；照射源，其指向緊密鄰近的該等奈米棒第二末端；以及拉曼訊號偵測器，其安排成偵測來自緊密鄰近之該等奈米棒第二末端附近的拉曼訊號。
9. 如申請專利範圍第8項的SERS感應器系統，其中該等官能化的奈米顆粒包括在該等奈米顆粒表面上的拉曼染料和第一聯基，該等奈米棒進一步包括在該等奈米棒第二末端上的第二聯基，而該第一聯基和該第二聯基有助於該等奈米顆粒和該等奈米棒之間的交互作用而從該拉曼染料產生該拉曼訊號。
10. 如申請專利範圍第9項的SERS感應器系統，其中該第一聯基和該第二聯基乃特定互補於分析物的不同交互作用位置，以使該分析物結合於該等官能化奈米顆粒和該等奈米棒第二末端二者，以及其中該等聯基對該分析物的結合在該照射源的光路徑中產生該拉曼訊號，其可藉由拉曼訊號偵測器所偵測。
11. 如申請專利範圍第9項的SERS感應器系統，其中該第一聯基和該第二聯基乃彼此特定互補的，以使該等官能化的奈米顆粒結合於該照射源之光路徑中的該等奈米棒第二末端，以及其中存在分析物以選擇性地從該等奈米棒解離出該等官能化的奈米顆粒，而該等官能化的奈米顆粒從該等奈米棒解離則減少該拉曼訊號，其可由該拉曼訊號 偵測器所偵測。
12. 如申請專利範圍第8項的SERS感應器系統，其進一步包括多組該等官能化的奈米顆粒，各組奈米顆粒係在該等奈米顆粒的表面上以不同於其他組奈米顆粒的拉曼染料和對應的第一聯基而加以官能化，而該等不同的拉曼染料具有不同的拉曼訊號，該等不同的對應第一聯基係特定結合於不同的分析物或該等奈米棒之一者，以將個別的拉曼訊號關聯於特定的分析物。
13. 如申請專利範圍第12項的SERS感應器系統，其進一步包括在該感應基板上的多組該等奈米棒，各組奈米棒包括在該等奈米棒上不同於其他組奈米棒的第二聯基，而該等不同的第二聯基係特定結合於該等不同的分析物或該等不同的對應第一聯基之一者，以多工偵測該等不同的分析物。
14. 一種表面增強型拉曼光譜(SERS)的感應方法，其包括：提供第一末端附著於基板之隔開的奈米棒，該等奈米棒的第二末端係可移動成彼此緊密鄰近，該等奈米棒包括拉曼活性表面；提供獨立於該等奈米棒的奈米顆粒，該等奈米顆粒係官能化的；將該等奈米顆粒和該等奈米棒暴露於分析物；照射該等奈米顆粒和緊密鄰近的該等奈米棒第二末端之間的交互作用以產生拉曼訊號；以及 偵測該分析物對該拉曼訊號所造成的效應。
15. 如申請專利範圍第14項的方法，其中該照射的交互作用包括該等奈米顆粒和該等奈米棒第二末端二者都選擇性地結合於該分析物，或者包括該等奈米顆粒和該等奈米棒第二末端彼此直接結合之一者，而該分析物選擇性地從該等奈米棒解離出該等直接結合的奈米顆粒；以及其中偵測對該拉曼訊號的效應包括偵測該拉曼訊號的產生以及該所產生之拉曼訊號的減少其中之一或二者。