TWI750718B

TWI750718B - 增強訊號之結構及其製作方法

Info

Publication number: TWI750718B
Application number: TW109122573A
Authority: TW
Inventors: 張健忠; 黃俊達
Original assignee: 國立中興大學; 佐信科技有限公司
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2021-12-21
Also published as: US20220003681A1; TW202202826A

Abstract

一種增強訊號之結構，用以增強一待測物的訊號。增強訊號之結構包括在一第一方向、一第二方向及一第三方向上堆疊的多個奈米線，其中這些奈米線往至少二個方向延伸，待測物的粒子落在這些奈米線上，或在這些奈米線間的空隙中。一種增強訊號之結構的製作方法亦被提出。

Description

增強訊號之結構及其製作方法

本發明是有關於一種增強訊號之結構及其製作方法。

拉曼光譜（Raman Spectra）屬於振動光譜的一種，其原理在於使用固定波長的雷射光源激發樣品，當激發光與樣品粒子作用時，如果光子與粒子碰撞后發生了能量交換，光子將一部分能量傳遞給了樣品粒子或從樣品粒子獲得一部分能量，從而改變了光的頻率，這個變化就稱之為拉曼位移（Raman shift）。

拉曼光譜的量測具有樣品無需預先處理、不需破壞樣品的優點，且能即時偵測並得到結果。此外，拉曼光譜可採用顯微分析，其解析度能達到次微米等級，使分析更精確。此外，拉曼光譜還可以具有高選擇性、高靈敏性及高機動性等優點。拉曼光譜可用於食品檢測、生醫檢測、環境檢測及毒品檢測等。另一方面，光致發光（photoluminescence）光譜，特別是螢光(Fluorescence)光譜也是具有樣品無需預先處理、不需破壞樣品等優點，同樣可以用來作各種檢測。

拉曼光譜或光致發光光譜有時候訊號不夠強，而較難產生良好的檢測結果。

本發明提供一種增強訊號之結構，其可用以檢測不同粒子大小的待測物。

本發明提供一種增強訊號之結構的製作方法，其可製作出用以檢測不同粒子大小的待測物。

本發明的一實施例提出一種增強訊號之結構，用以增強一待測物的訊號。增強訊號之結構包括在一第一方向、一第二方向及一第三方向上堆疊的多個奈米線，其中這些奈米線往至少二個方向延伸，待測物的粒子落在這些奈米線上，或在這些奈米線間的空隙中。

本發明的一實施例提出一種增強訊號之結構的製作方法，包括：將散布於一溶劑中的多個奈米線隨著溶劑噴灑於一表面上，以形成一第一奈米線層；以及待第一奈米線層中的溶劑揮發後，再次將散布於溶劑中的多個奈米線隨著溶劑噴灑於第一奈米線層上，以形成一第二奈米線層。

在本發明的實施例的增強訊號之結構中，由於這些奈米線在第一方向、第二方向及第三方向上堆疊，因此待測物的粒子與不同的奈米線可以有不同的距離，而使得待測物的粒子的訊號得以增強，且適用於各種不同大小的待測物粒子。在本發明的實施例的增強訊號之結構的製作方法中，由於這些奈米線隨著溶劑多次噴灑於表面上，因此待測物的粒子與不同的奈米線可以有不同的距離，而使得待測物的粒子的訊號得以增強，且適用於各種不同大小的待測物粒子。

本發明提供一種增強訊號之結構與方法，可同時用於增強「表面增強拉曼散射」（surface enhanced Raman scattering, SERS）及「金屬增強螢光」（metal enhanced fluorescence, MEF），以加強傳統使用拉曼訊號或螢光訊號檢測的不足。

表面增強拉曼散射(SERS)是一種通過吸附在奈米等級粗糙金屬表面上的粒子或電漿體，以增強拉曼散射靈敏度的技術，可以使拉曼訊號強度增加好幾個數量級，而不同的金屬材料、表面顆粒的形狀和尺寸、探測物的吸附量和距離等因素，都會影響表面增強拉曼散射(SERS)的效果。

金屬增強螢光(MEF)主要發生在螢光物質和金屬之間隔達到一定距離時(例如5 ~ 90nm)，螢光物質受到金屬奈米粒子局部性電場的影響，螢光材料激態的電子受到增強的電磁場增強作用，會有較多電子躍升到激發態，因而增強其放光量。螢光增強效應與金屬奈米粒子的材料、形狀、距離都有關係，而其主要發生的機制，與金屬表面螢光粒子附近局部電場增強有關，當入射光頻率和金屬的表面電漿(由入射光或螢光發光所誘發)的振盪頻率相互作用時，會造成「局部表面電漿共振」(Localized surface plasmon resonance, LSPR)，而這個金屬表面電漿共振是決定奈米金屬粒子光學性質的重要因子。

圖1為本發明之增強訊號之結構可用以檢測冠狀病毒的示意圖，本發明主要是透過一種堆疊式的奈米結構，可以增強檢測光譜的訊號，舉例來說可以增強表面增強拉曼散射(SERS)或局部表面電漿共振(LSPR)的效果，甚至可適用於將SERS和LSPR的訊號同時或同步放大，進而增加檢測的精準度與應用層面，因此使用本發明之結構，可以達到檢測單一顆病毒的可能性。

圖2A為本發明的一實施例的增強訊號之結構的立體示意圖，而圖2B為圖2A的增強訊號之結構的上視示意圖。請參照圖2A與圖2B，本實施例的增強訊號之結構100用以增強一待測物的訊號，例如是拉曼訊號或光致發光訊號。增強訊號之結構100包括在一第一方向D1、一第二方向D2及一第三方向D3上堆疊的多個奈米線110，其中這些奈米線110往至少二個方向延伸。待測物的粒子50落在這些奈米線110上，或在這些奈米線110間的空隙G中。在一實施例中，粒子50例如是分子（外徑例如是落在1奈米至5奈米的範圍內）、奈米粒子（外徑例如是落在50奈米至100奈米的範圍內）、病毒（外徑例如約為120奈米左右）、細菌（外徑例如約為500奈米至1000奈米、細胞（外徑例如是落在10000奈米至2000奈米的範圍內）或上述這些粒子的任意組合。

在本實施例中，這些奈米線110在垂直第一方向D1上、垂直第二方向D2上及垂直第三方向D3上的夾角均有多種不同的角度，而圖2B是以這些奈米線110在垂直於第三方向D3上的夾角θ有多種不同的角度為例。舉例而言，這些夾角有的可以大於90度，有的可以小於90度，且有的可以等於90度。此外，在本實施例中，這些奈米線的材料包括金、銀、鉑、其他貴重金屬或其組合。

在本實施例中，這些奈米線110堆疊成一膜層，第三方向D3為膜層的厚度方向，第一方向D1與第二方向D2皆垂直於第三方向D3，且待測物的粒子50在第三方向D3上與不同的奈米線110距離不相同。舉例而言，在圖2A中，待測物的粒子50在第三方向D3上與奈米線112的距離L1不同於與奈米線114的距離L2。在本實施例中，這些奈米線110呈筆直狀。然而，在另一實施例中，如圖2C所繪示，增強訊號之結構100e的這些奈米線110e亦可以呈彎曲狀。或者，在其他實施例中，這些奈米線也可以呈彎曲狀與筆直狀的組合（例如是圖2A的奈米線110與圖2C的奈米線110e的混合）。在本實施例中，這些奈米線110呈不規則分布。當粒子50為奈米粒子或病毒時，這些奈米線110之間的最大空隙（即空隙G中的最大者）與最小空隙（即空隙G中的最小者）的寬度比值落在50奈米至2000奈米的範圍內。

對於金屬增強螢光的機制而言，待測物的粒子與奈米結構在保持適當的距離之下，會有較良好的螢光增強效果，而距離太近或太遠時的螢光增強效果都不好。在本實施例的增強訊號之結構100中，由於這些奈米線110在第一方向D1、第二方向D2及第三方向D3上堆疊，也就是這些奈米線110形成三維堆疊的結構，因此待測物的粒子50與不同的奈米線110可以有不同的距離，因此粒子50容易與周圍某一奈米線110保持適當的距離，而使得待測物粒子50的訊號（例如螢光訊號）得以被良好地增強，且適用於各種不同大小的待測物粒子50。此外，上述最大空隙與最小空隙的比值之數值範圍亦有利於使奈米線110承載各種不同大小的待測物粒子50，進而適於量測各種不同大小的待測物粒子50。此外，本實施例的量測可以不採用抗體與抗原的結合以抓取待測物粒子的方式，因此更能夠有效地降低檢測上的失誤。再者，本實施例的增強訊號之結構100所能夠適用的待測物包括非生物的分子（如殺蟲劑、毒品等）或生物或其有機體（如細菌、病毒等），也就是能夠量測的待測物的種類並不受限，只要是能夠產生拉曼訊號或光致發光訊號的待測物皆可以量測。

圖3是用以說明圖2A的增強訊號之結構所產生的表面電漿共振（surface plasmon resonance, SPR）的立體示意圖。請參照圖2A與圖3，當待測物的粒子50（無論是較大的粒子50a或較小的粒子50b）落在奈米線110的表面電漿區域111，可藉由表面電漿共振而達到表面增強拉曼散射。此外，對於金屬增強螢光而言，當待測物的粒子50與奈米線110的距離稍大於表面電漿區域111的厚度時（例如圖3中的粒子50在表面電漿區域111之上，且與表面電漿區域111保持一適當距離時），則可達到良好的金屬增強螢光的效果。此外，奈米線110與奈米線110的交叉附近區域113（即表面增強拉曼散射熱點（hot spot），即電漿分佈區域）則可藉由表面電漿共振而達到良好的拉曼訊號增強效果。也就是說，本實施例之增強訊號之結構100能夠同時增強拉曼訊號與光致發光訊號。另外，如圖3所述，本實施例之增強訊號之結構100可以達到第三方向D3（厚度方向）上的電漿分佈，因此對於各種不同大小的待測物粒子50都可以達到增強訊號的效果。

圖4為本發明的另一實施例的增強訊號之結構的上視示意圖。請參照圖4，本實施例的增強訊號之結構100a與圖2B的增強訊號之結構100類似，而兩者的差異在於增強訊號之結構100a的這些奈米線110呈規則分布，例如是呈各種幾何形狀的排列，而本發明不以此為限。

圖5為本發明的又一實施例的增強訊號之結構的立體示意圖。請參照圖5，本實施例的增強訊號之結構100b與圖2A的增強訊號之結構100類似，而兩者的差異如下所述。本實施例的增強訊號之結構100b更包括多個奈米粒子120，而這些奈米線110堆疊於這些奈米粒子120上。這些奈米粒子120的材料例如為金、銀、鉑、其他貴重金屬或其組合。

圖6為本發明的再一實施例的增強訊號之結構的立體示意圖。請參照圖6，本實施例的增強訊號之結構100c與圖2A的增強訊號之結構100類似，而兩者的差異如下所述。本實施例的增強訊號之結構100c更包括多個奈米花（nano-dendrimer）120c，而這些奈米線110堆疊於這些奈米花120c上。這些奈米花120c的材料例如為金、銀、鉑、其他貴重金屬或其組合。

圖7為本發明的另一實施例的增強訊號之結構的立體示意圖。請參照圖7，本實施例的增強訊號之結構100d與圖2A的增強訊號之結構100類似，而兩者的差異如下所述。本實施例的增強訊號之結構100d更包括一奈米結構晶片（nano-structure chip）130，而這些奈米線110配置於奈米結構晶片130上。奈米結構晶片130的表面上可具有奈米結構132，在本實施例中，朝向奈米線110的這些奈米結構132例如為奈米凹陷，然而，在其他實施例中，亦可以是奈米凸起，或者是奈米凹陷與奈米凸起的組合。奈米結構晶片130例如是二氧化鈦晶片、二氧化鈦-鉑晶片或金奈米晶片。

圖8是用以說明本發明的一實施例的增強訊號之結構的製作方法的剖面示意圖。請參照圖2A與圖8，本實施例的增強訊號之結構的製作方法可用以製作上述實施例的增強訊號之結構（例如增強訊號之結構100）。本實施例的增強訊號之結構的製作方法包括下列步驟。首先，如圖8所示，將散布於一溶劑60中的多個奈米線110隨著溶劑60噴灑於一表面70上，以形成一第一奈米線層102。接著，第一奈米線層102中的溶劑60揮發後，再次將散布於溶劑60中的多個奈米線110隨著溶劑60噴灑於第一奈米線層102上，以形成一第二奈米線層104。待第二奈米線層104的溶劑揮發後，即可形成如圖2A的增強訊號之結構100。在通實施例中，待第二奈米線層104中的溶劑揮發後，可再次將散布於溶劑60中的多個奈米線110隨著溶劑60噴灑於第二奈米線層104上，以形成一第三奈米線層106。如此待第三奈米線層106的溶劑60揮發後，即可形成厚度更厚的增強訊號之結構100。奈米線層的層數並不限制如上噴灑兩層或三層，在其他實施例中，亦可以只噴灑一層，或噴灑N層，其中N為大於等於2的正整數，在本發明另一實施方式中，N較佳的範圍為2 ~ 5。

表面70可以是任何物體的表面，也可以是待測物的表面。當表面70為待測物的表面時，則將上述奈米線層噴灑於表面70上，此處奈米線層噴灑是單層，在本發明另一實施例中，奈米線層噴灑可以為多層，較佳的數量為兩層。待溶劑60揮發後，就能夠將雷射光束照射於表面70上，並偵測表面70的粒子50將雷射光束轉換而形成的轉換光束，以取得待測物的粒子50的拉曼訊號或光致發光訊號，如此增強訊號之結構100便能夠增強粒子50的拉曼訊號或光致發光訊號。當表面70為承載板的表面或任何承載物的表面（例如也可以是如圖7之奈米結構晶片130的表面）時，則將上述奈米線層噴灑於表面70上並待溶劑60揮發後，便能夠將待測物放置在表面70上、滴在表面70上、塗佈於表面70上或以任何適當的形式配置於表面70上，在本發明另一實施方式中，奈米線層噴灑的數目以2~5層為佳。之後，再如同上述以雷射光束照射表面70並取得拉曼或光致發光訊號。

此外，在圖5的增強訊號之結構100b的製作上，可以是將多個奈米粒子120混入溶劑60中，再隨溶劑60將多個奈米粒子120噴灑於表面70上。同理，在圖6的增強訊號之結構100c的製作上，可以是將多個奈米花120c混入溶劑60中，再隨溶劑60將多個奈米花120c噴灑於表面70上。

由於上述各實施例之增強訊號之結構可同時增強拉曼光譜與光致發光光譜（例如螢光光譜），因此如果待測物除了拉曼光譜之外，還具有光致發光光譜，則上述各實施例之增強訊號之結構可用以同時量測待測物的拉曼光譜與光致發光光譜。至於同時量測這兩種光譜的光譜量測系統，則敘述如下。

圖9為本發明的一實施例的光譜量測系統的光路架構示意圖。請參照圖9，本實施例的光譜量測系統200包括一第一雷射光源210、一第二雷射光源220、一合光單元290、一分光器（beam splitter）230、一分色鏡（dichroic mirror）240、一第一光偵測模組250及一第二光偵測模組260。第一雷射光源210用以發出一第一峰值波長雷射光束212，而第二雷射光源220用以發出一第二峰值波長雷射光束222，其中第一峰值波長雷射光束212的第一峰值波長大於第二峰值波長雷射光束222的第二峰值波長。第一峰值波長雷射光束212用以量測待測物粒子50的拉曼光譜，而第二峰值波長雷射光束222用以量測待測物粒子50的光致發光光譜。合光單元290將第一峰值波長雷射光束212與第二峰值波長雷射光束222合併為一雷射輸出光束215。在本實施例中，合光單元290可包括分色鏡292與分色鏡或反射器（reflector）294，分色鏡或反射器294將第二峰值波長雷射光束222反射至分色鏡292。分色鏡292適於反射第一峰值波長雷射光束212，且適於讓第二峰值波長雷射光束222穿透，因而合併了第一峰值波長雷射光束212與第二峰值波長雷射光束222。

分光器230將雷射輸出光束215反射至待測物粒子50與增強訊號之結構100。在本實施例中，光譜量測系統200可更包括一反射鏡270，以將雷射輸出光束215反射至分光器230。待測物粒子50將雷射輸出光束215轉換成一轉換光束51，其中轉換光束51包含了拉曼訊號光束與光致發光訊號光束。部分的轉換光束51穿透分光器230而傳遞至分色鏡240。在本實施例中，光譜量測系統200可更包括一反射鏡280，以將來自分光器230的轉換光束51反射至分色鏡240。分色鏡240將轉換光束51中對應於拉曼訊號的部分轉換光束53反射至第一光偵測模組250，且讓轉換光束51中對應於光致發光訊號的部分轉換光束55穿透而傳遞至第二光偵測模組260。如此一來，第一光偵測模組250便可偵測到拉曼光譜，而第二光偵測模組260便可偵測到光致發光光譜，因而光譜量測系統200便可以達到拉曼光譜與光致發光光譜的同時偵測。第一光偵測模組250與第二光偵測模組260的每一者沿著光傳遞方向的路徑上可依序包括濾光器與光偵測器。

此外，在其他實施例中，亦可以使第一雷射光源210發出第一峰值波長雷射光束212，而使第二雷射光源220不發出第二峰值波長雷射光束222，而使光譜量測系統200達到量測拉曼光譜但不同時量測光致發光光譜的效果。或者，亦可以使第一雷射光源210不發出第一峰值波長雷射光束212，而使第二雷射光源220發出第二峰值波長雷射光束222，而使光譜量測系統200達到量測光致發光光譜但不同時量測拉曼光譜的效果。

綜上所述，在本發明的實施例的增強訊號之結構中，由於這些奈米線在第一方向、第二方向及第三方向上堆疊，因此待測物的粒子與不同的奈米線可以有不同的距離，而使得待測物的粒子的訊號得以增強，且適用於各種不同大小的待測物粒子。在本發明的實施例的增強訊號之結構的製作方法中，由於這些奈米線隨著溶劑多次噴灑於表面上，因此待測物的粒子與不同的奈米線可以有不同的距離，而使得待測物的粒子的訊號得以增強，且適用於各種不同大小的待測物粒子。

50、50a、50b:粒子 51:轉換光束 53、55:部分轉換光束 60:溶劑 70:表面 100、100a、100b、100c、100d、100e:增強訊號之結構 102:第一奈米線層 104:第二奈米線層 106:第三奈米線層 110、110e、112、114:奈米線 111:表面電漿區域 113:交叉附近區域 120:奈米粒子 120c:奈米花 130:奈米結構晶片 132:奈米結構 200:光譜量測系統 210:第一雷射光源 212:第一峰值波長雷射光束 215:雷射輸出光束 220:第二雷射光源 222:第二峰值波長雷射光束 230:分光器 240:分色鏡 250:第一光偵測模組 260:第二光偵測模組 270、280:反射鏡 290:合光單元 292:分色鏡 294:分色鏡或反射器 D1:第一方向 D2:第二方向 D3:第三方向 G:空隙 L1、L2:距離 θ:夾角

圖1為本發明之增強訊號之結構可用以檢測冠狀病毒的示意圖。圖2A為本發明的一實施例的增強訊號之結構的立體示意圖。圖2B為圖2A的增強訊號之結構的上視示意圖。圖2C為本發明的另一實施例的增強訊號之結構的立體示意圖。圖3是用以說明圖2A的增強訊號之結構所產生的表面電漿共振的立體示意圖。圖4為本發明的另一實施例的增強訊號之結構的上視示意圖。圖5為本發明的又一實施例的增強訊號之結構的立體示意圖。圖6為本發明的再一實施例的增強訊號之結構的立體示意圖。圖7為本發明的另一實施例的增強訊號之結構的立體示意圖。圖8是用以說明本發明的一實施例的增強訊號之結構的製作方法的剖面示意圖。圖9為本發明的一實施例的光譜量測系統的光路架構示意圖。

50:粒子

100:增強訊號之結構

110、112、114:奈米線

D1:第一方向

D2:第二方向

D3:第三方向

G:空隙

L1、L2:距離

Claims

一種增強訊號之結構，用以增強一待測物的訊號，該增強訊號之結構包括：在一第一方向、一第二方向及一第三方向上堆疊的多個奈米線，其中該些奈米線彼此不相連接，且其兩端往至少二個方向延伸，該待測物的粒子落在該些奈米線上，或在該些奈米線間的空隙中。
如請求項1所述的增強訊號之結構，其中該些奈米線在垂直該第一方向上、垂直該第二方向上及垂直該第三方向上的夾角均有多種不同的角度。
如請求項1所述的增強訊號之結構，其中該些奈米線堆疊成一膜層，該第三方向為該膜層的厚度方向，該第一方向與該第二方向皆垂直於該第三方向，且該待測物的粒子在該第三方向上與不同的奈米線距離不相同。
如請求項1所述的增強訊號之結構，其中該些奈米線之間的最大空隙與最小空隙的寬度比值落在50奈米至2000奈米的範圍內。
如請求項1所述的增強訊號之結構，更包括多個奈米粒子，其中該些奈米線堆疊於該些奈米粒子上。
如請求項1所述的增強訊號之結構，更包括多個奈米花，其中該些奈米線堆疊於該些奈米花上。
如請求項1所述的增強訊號之結構，其中該些奈米線呈不規則分布。
如請求項1所述的增強訊號之結構，其中該些奈米線呈規則分布。
如請求項1所述的增強訊號之結構，其中該些奈米線呈彎曲狀、筆直狀或其組合。
如請求項1所述的增強訊號之結構，更包括一奈米結構晶片，其中該些奈米線配置於該奈米結構晶片上。
如請求項1所述的增強訊號之結構，其中該些奈米線的材料包括金、銀、鉑或其組合。
一種增強訊號之結構的製作方法，包括：將散布於一溶劑中的多個奈米線隨著該溶劑噴灑於一表面上，以形成一第一奈米線層；以及待該第一奈米線層中的溶劑揮發後，再次將散布於溶劑中的多個奈米線隨著該溶劑噴灑於該第一奈米線層上，以形成一第二奈米線層。
如請求項12所述的增強訊號之結構的製作方法，其中該第一奈米線層與該第二奈米線層形成一增強訊號之結構，該增強訊號之結構用以增強一待測物的訊號，且包括：在一第一方向、一第二方向及一第三方向上堆疊的多個奈米線，其中該些奈米線彼此不相連接，且其兩端往至少二個方向延伸，該待測物的粒子落在該些奈米線上，或在該些奈米線間的空隙中。
如請求項13所述的增強訊號之結構的製作方法，其中在該增強訊號之結構中，該些奈米線在垂直該第一方向上、垂直該第二方向上及垂直該第三方向上的夾角均有多種不同的角度。
如請求項13所述的增強訊號之結構的製作方法，其中在該增強訊號之結構中，該些奈米線堆疊成一膜層，該第三方向為該膜層的厚度方向，該第一方向與該第二方向皆垂直於該第三方向，且該待測物的粒子在該第三方向上與不同的奈米線距離不相同。
如請求項13所述的增強訊號之結構的製作方法，其中在該增強訊號之結構中，該些奈米線之間的最大空隙與最小空隙的寬度比值落在50奈米至2000奈米的範圍內。
如請求項13所述的增強訊號之結構的製作方法，更包括將多個奈米粒子噴灑於該表面上，其中在該訊號層強結構中，該些奈米線堆疊於該些奈米粒子上。
如請求項13所述的增強訊號之結構的製作方法，更包括將多個奈米花噴灑於該表面上，其中在該訊號層強結構中，該些奈米線堆疊於該些奈米花上。
如請求項13所述的增強訊號之結構的製作方法，其中在該增強訊號之結構中，該些奈米線呈不規則分布。
如請求項13所述的增強訊號之結構的製作方法，其中在該增強訊號之結構中，該些奈米線呈規則分布。
如請求項13所述的增強訊號之結構的製作方法，其中在該增強訊號之結構中，該些奈米線呈彎曲狀、筆直狀或其組合。
如請求項12所述的增強訊號之結構的製作方法，更包括：待該第二奈米線層中的溶劑揮發後，再次將散布於溶劑中的多個奈米線隨著該溶劑噴灑於該第二奈米線層上，以形成一第三奈米線層。
如請求項12所述的增強訊號之結構的製作方法，其中該表面為一奈米結構晶片的表面。
如請求項12所述的增強訊號之結構的製作方法，其中該些奈米線的材料包括金、銀、鉑或其組合。