TW201725385A - 具有薄層層析之拉曼檢測晶片及分離檢測分析物之方法 - Google Patents

具有薄層層析之拉曼檢測晶片及分離檢測分析物之方法 Download PDF

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李璧伸
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Abstract

本發明提供一種具有薄層層析之拉曼檢測晶片及分離檢測分析物之方法。該具有薄層層析之拉曼檢測晶片包含一矽基底，包含一平坦部及配置於該平坦部之上的複數奈米線，其中每一奈米線具有一頂端表面及一側壁；以及，一金屬層覆蓋該奈米線的頂端表面及至少部份側壁，其中該奈米線之總長度L為5μm至15μm。

Description

具有薄層層析之拉曼檢測晶片及分離檢測分析物 之方法
本發明關於一種具有薄層層析之拉曼檢測晶片及分離檢測分析物之方法。
拉曼光譜(raman spectroscopy)由於具有指紋專一性(fingerprint)及多領域(multi-domain)應用的特性，近年來已被廣泛應用在生物感測、醫學製藥、環境監控、鑑識科學、健康監控等領域。然而，利用拉曼光譜進行定性鑒別與定量分析時，由於拉曼訊號散射強度微弱，且容易受到大量的複雜樣品干擾，因而降低了檢測靈敏度。
因此，開發出的檢測技術，以分離干擾訊號並增強拉曼光譜訊號，以解決習知技術所遭遇到的問題。
根據本發明實施例，本發明提供一種具有薄層層析之拉曼檢測晶片。該具有薄層層析之拉曼檢測晶片包含一矽基底以及一金屬層。該矽基底包含一平坦部及配置於該平坦部之上的複數奈米線，其中每一奈米線具有一頂端表面及一側壁。該金屬層覆蓋該奈米線的頂端表面及至少部份側壁，其中該奈米線之總長度L為5 μm至15μm。
根據本發明其他實施例，本發明提供一種分離檢測分析物之方法，包含：提供上述具有薄層層析之拉曼檢測晶片；提供一樣品，其中該樣品包含一溶劑及至少一種化合物；將該樣品點附於該具有薄層層析之拉曼檢測晶片上；藉由一薄層層析法(thin layer chromatography)分離該樣品，得到至少一個分析點；以及對該分析點進行一拉曼光譜量測。
2-2’‧‧‧切線
10‧‧‧矽基底
20‧‧‧平坦部
22‧‧‧奈米線
23‧‧‧頂端表面
25‧‧‧側壁
30‧‧‧金屬層
40‧‧‧修飾層
50‧‧‧單晶矽晶片
52‧‧‧銀奈米圖案
100‧‧‧具有薄層層析之拉曼檢測晶片
101‧‧‧樣品
102‧‧‧分析點
A、B、C‧‧‧區域
D、D1、D2‧‧‧距離
L、L1、L2‧‧‧長度
M‧‧‧直徑
T‧‧‧厚度
第1圖係本發明實施例所述具有薄層層析之拉曼檢測晶片之示意圖；第2圖係第1圖所示具有薄層層析之拉曼檢測晶片沿切線2-2’的剖面結構示意圖；第3-5圖係本發明其他實施例所述具有薄層層析之拉曼檢測晶片之剖面結構示意圖；第6A至6D係一系列示意圖，用以說明本發明實施例所述矽基底的製造流程；第7A至7B圖係利用本發明實施例所述具有薄層層析之拉曼檢測晶片進行薄層層析法(thin layer chromatography)之示意圖；第8圖係實施例4所述之拉曼檢測晶片(4)其剖面結構的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)圖譜；第9圖係繪示本發明實施例1至6所述拉曼檢測晶片(1)至(6)其奈米線長度與Rf值的關係圖；以及第10圖係為實施例9所述以拉曼檢測晶片(4)對牛奶進行分離檢 測所得之混摻物三聚氰胺的拉曼光譜。
以下針對本發明之顯示裝置作詳細說明。應了解的是，以下之敘述提供許多不同的實施例或例子，用以實施本發明之不同樣態。以下所述特定的元件及排列方式僅為簡單描述本發明。當然，這些僅用以舉例而非本發明之限定。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。且在圖式中，實施例之形狀、數量、或是厚度可擴大，並以簡化或是方便標示。再者，圖式中各元件之部分將以分別描述說明之，值得注意的是，圖中未繪示或描述之元件，為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式，此外，特定之實施例僅為揭示本發明使用之特定方式，其並非用以限定本發明。
本發明提供一種具有薄層層析分離功能之拉曼檢測晶片及分離檢測分析物之方法。根據本發明實施例，該具有薄層層析之拉曼檢測晶片可藉由具有特定長度矽奈米線的矽基底，達到快速分離混合物及去除背景基質干擾的效果。此外，藉由覆蓋該矽奈米線部份表面的金屬層，達到拉曼訊號放大的效果。如此一來，可同時實現薄層層析與表面增強拉曼散射作用，有效降低背景值的干擾並提昇鑑別率。
請參照第1圖，係為本發明一實施例所述薄層層析之拉曼檢測晶片100的示意圖，該具有薄層層析之拉曼檢測晶片100包含一矽基底10，其中該矽基底10由一平坦部20及形成於該平坦部20之上的複數奈米線22所構成。每一奈米線22具有一頂端表面23及一側壁25，而一金屬層30形成於該奈米線22之上，並覆蓋該頂端 表面23及至少部份側壁25。該金屬層可由複數金屬顆粒所構成。根據本發明實施例，該金屬顆粒之材料可為銀(Ag)、金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)、錫(Sn)、鈦(Ti)、鋇(Ba)、鉑(Pt)、鈷(Co)、或上述之組合。根據本發明實施例，該矽基底10之平坦部20及複數奈米線22係為一體成形。
第2圖係為第1圖所示薄層層析之拉曼檢測晶片100延切線2-2’的剖面結構示意圖。請參照第2圖，該奈米線22可具有一總長度L，其中該總長度L可約為5μm至15μm(具有薄膜層析的效果)。當該奈米線22的總長度過小時，易使得待測物分子與複數之奈米線之間的吸附力不足，造成分離距離過長，增加成本及處理時間；相反的，當該奈米線22的總長度過大時，易使待測物分子與複數之奈米線之間的吸附力太強，導致待測物分子無法有效進行分離。
根據本發明實施例，請參照第2圖，每一奈米線22的頂端表面23之直徑M可約為50nm至200nm。根據本發明實施例，任意兩相鄰的奈米線相隔之距離D(例如任意兩相鄰的奈米線側壁間的最短距離)可約為50nm至200nm，當兩奈米柱之間距離約為100-200nm，分布於兩奈米線頂端之金屬奈米顆粒，有機會形成微小的間距，有利於拉曼增強效應。同時，也可使待測物分子與複數之奈米線之間維持足夠的吸附力。此外，根據本發明實施例，該金屬層30的厚度T可約為20nm至100nm。當金屬層的厚度為20至100nm時，相鄰兩奈米線頂端的金屬層之間會形成為小的縫隙，有利於拉曼增強效應。
此外，根據本發明實施例，請參照第2圖，該金屬層30係完全覆蓋該奈米線22的頂端表面23，並進一步往該奈米線22的側壁25延伸，以覆蓋該奈米線22的部份側壁25。如此一來，該奈 米線22的部份側壁25並未被該金屬層30所覆蓋。根據本發明某些實施例，被該金屬層30覆蓋的該奈米線22側壁之長度L1與該奈米線22之總長度L的比值(L1/L)可約為0.2至0.8(例如約為0.3至0.74之間)。當該奈米線22被該金屬層30覆蓋的區域過小時(即長度L1與長度L的比值(L1/L)過小時)，增強效應局限於表層；相反的，當該奈米線22被該金屬層30覆蓋的區域過大時(即長度L1與長度L的比值(L1/L)過大時)，易導致待測物分子與複數之奈米線之間的吸附力不足，造成分離距離過長，增加成本及處理時間。另一方面，請參照第2圖，未被該金屬層30覆蓋該奈米線22側壁之長度L2與該奈米線22之總長度L的比值(L2/L)可約為0.2至0.8(例如約為0.26至0.7之間)。根據本發明實施例，該具有薄層層析之拉曼檢測晶片可更包含一修飾層40形成於未被該金屬層30所覆蓋的該奈米線22側壁25上，如第3圖所示。該修飾層40可為增加或降低待測物分子與奈米線之間吸附力的材質，例如在22奈米線的未覆蓋金屬區域，形成一氧化矽層、氮化矽層、氧化鋁層，或對於矽表面的極性(polarity)進行官能化修飾的材料。
根據本發明實施例，該修飾層40除了可形成於未被該金屬層30所覆蓋的該奈米線22側壁25之外，亦可進一步形成於該矽基底之平坦部20表面上(未被該奈米線22所覆蓋的表面)，如第4圖所示。
根據本發明某些實施例，該奈米線22可具有一傾斜的側壁(slanted sidewall)25，如第5圖所示。換言之，該奈米線22的側壁25並非實質垂直於該平坦部20之上。當該奈米線22具有傾斜的側壁25時，可使奈米線22較易與該矽基底之平坦部20實質上垂直。
根據本發明實施例，該具有薄層層析之拉曼檢測晶片 可由以下步驟製備而得。首先，先製備該拉曼檢測晶片之矽基底如第6圖所示，提供一具有特定尺寸的單晶矽晶片50(舉例來說，單晶矽晶片50的長度可為20mm至25mm、寬度可為10mm至15mm、以及厚度可為500μm至1mm)，如第6A圖所示。接著，將該單晶矽晶片50浸泡於一含有硝酸銀(AgNO3)以及氫氟酸(HF)的一第一溶液中並維持一第一製程時間(例如：5至10秒)，以在該單晶矽晶片50的上表面51生成網絡狀銀奈米圖案52，如第6B圖所示。接著，將該單晶矽晶片50由該含有硝酸銀(AgNO3)以及氫氟酸(HF)的溶液中取出，並將該表面具有網絡狀銀奈米圖案52之單晶矽晶片50浸泡於一含有氫氟酸(HF)以及過氧化氫(H2O2)的一第二溶液中並維持一第二製程時間(例如：40min)，以進行一金屬輔助化學蝕刻(metal assisted chemical etching、MACE)製程。在該金屬輔助化學蝕刻製程中，該單晶矽晶片50覆蓋網絡狀銀奈米圖案52之處會被往下蝕刻，如第6C圖所示。接著，將網絡狀銀奈米圖案52移除，形成如第6D圖所示由一平坦部20及複數奈米線22所構成的矽基底10。此外，該奈米線22的長度L可由該金屬輔助化學蝕刻的製程時間加以控制，即該奈米線22的長度L與該第二製程時間成正比。最後，將該矽基底10由第二溶液中取出，並浸泡於一含有硝酸銀(AgNO3)的第三溶液中並維持一第三製程時間(例如：30-240秒)，以使該奈米線22頂端表面23進一步覆蓋金屬層30(銀層)並且往該奈米線22的側壁25延伸，以覆蓋該奈米線22的部份側壁25，得到如第1圖所示的具有薄層層析之拉曼檢測晶片100。在此，被該金屬層30所覆蓋的奈米線22的長度L1可由第三製程時間加以控制，即被該金屬層30所覆蓋的奈米線22的長度L1與該第三製程時間成正比。
根據本發明實施例，本發明亦提供一種以上述具有薄層層析之拉曼檢測晶片進行分離檢測分析物的方法。該方法包含提供上述具有薄層層析之拉曼檢測晶片及提供一樣品，其中該樣品包含一溶劑及至少一種化合物。其中，該溶劑可為任何可以溶解該至少一種化合物的溶劑。接著，將該樣品101點附於該具有薄層層析之拉曼檢測晶片100上，請參照第7A圖。接著，藉由一薄層層析法(thin layer chromatography)分離該樣品，因此可在該薄層層析之拉曼檢測晶片100得到至少一個分析點102，請參照第7B圖。其中，距離D1係為該樣品於該拉曼檢測晶片100之最大可展開距離、距離D2係為分析點102與樣品101之間的距離(即展開距離)、而滯留因子(retention factor、Rf)則定義為D2/D1。在該薄層層析法中係使用該拉曼檢測晶片作為層析靜止相(stationary phase)，以液體展開劑作為流動相(mobile phase)，其中該展開劑可包含二氯甲烷(dichloromethane、DCM)、甲醇(methanol)、***(ethyl ether)、乙酸乙酯(ethyl acetate、EA)、正己烷(n-hexane)、丙酮(acetone)、氯仿(chloroform)、甲苯(toluene)、水、或上述之組合。然而，展開劑並不限於上述提及之溶劑，本領域人士可依據實際應用之需求，選擇所需的展開劑。最後，對該分析點102進行一拉曼光譜量測。
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，下文特舉數實施例及比較實施例，作詳細說明如下：
拉曼檢測晶片之製備
實施例1：
首先，提供一單晶矽晶片(15mm x 25mm)。接著，將該單晶矽晶片浸泡於一含有硝酸銀(AgNO3)以及氫氟酸(HF)的一溶液中維持一第 一製程時間(約10秒)。接著，在將該單晶矽晶片由該含有硝酸銀(AgNO3)以及氫氟酸(HF)的溶液中取出後，將單晶矽晶片浸泡於一含有氫氟酸(HF)以及過氧化氫(H2O2)的溶液中並維持一第二製程時間(約4分)，以進行一金屬輔助化學蝕刻(metal assisted chemical etching、MACE)製程，得到一具有複數奈米線的矽基底，其中該奈米線的平均長度約為1μm。接著，將該矽基底浸泡於一含有硝酸銀(AgNO3)的溶液中並維持一第三製程時間(約120秒)，以形成銀顆粒層於奈米線的側壁，得到拉曼檢測晶片(1)，其中被該金屬層覆蓋的該奈米線之長度L1與該奈米線長度L的比值(L1/L)約為0.74。
實施例2：
如實施例1所述的方式進行，除了將第二製程時間由4分增加至8分，得到拉曼檢測晶片(2)，其中該奈米線的平均長度約為2μm被該金屬層覆蓋的該奈米線之長度L1與該奈米線長度L的比值(L1/L)約為0.6。
實施例3：
如實施例1所述的方式進行，除了將第二製程時間由4分增加至20分，得到拉曼檢測晶片(3)，其中該奈米線的平均長度約為5μm被該金屬層覆蓋的該奈米線之長度L1與該奈米線長度L的比值(L1/L)約為0.46。
實施例4：
如實施例1所述的方式進行，除了將第二製程時間由4分增加至40分，得到拉曼檢測晶片(4)，其中該奈米線的平均長度 約為10μm被該金屬層覆蓋的該奈米線之長度L1與該奈米線長度L的比值(L1/L)約為0.4。請參照第8圖，係為拉曼檢測晶片(4)剖面的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)圖譜。對第8圖所標示的區域A、B、及C進行X光能量分散光譜(energy dispersive spectroscopy、EDS)分析，量測其銀矽比(Ag/Si)，結果如表1所示：
由表1可知，銀顆粒層確實形成於奈米線的上半部，而未進一步形成於奈米線的根部。
實施例5：
如實施例1所述的方式進行，除了將第二製程時間由4分增加至60分，得到拉曼檢測晶片(5)，其中該奈米線的平均長度約為15μm被該金屬層覆蓋的該奈米線之長度L1與該奈米線長度L的比值(L1/L)約為0.37。
實施例6：
如實施例1所述的方式進行，除了將第二製程時間由4分增加至80分，得到拉曼檢測晶片(6)，其中該奈米線的平均長度約為20μm被該金屬層覆蓋的該奈米線之長度L1與該奈米線長度L的比值(L1/L)約為0.3。
以拉曼檢測晶片進行三聚氰胺的分離檢測
實施例7：
首先，在牛奶中加入50ppm的三聚氰胺，作為待測樣品。接著，將該樣品以施塗器(CAMAG Linomat 5)利用氣體壓力分別點附於拉曼檢測晶片(1)至(6)上。接著，將拉曼檢測晶片(1)至(6)置於一展開槽中並以甲醇作為展開液。展開完畢後，對拉曼檢測晶片(1)至(6)沿著待測物分離方向，每1mm量測一次拉曼光譜，以量測50ppm的三聚氰胺分別於拉曼檢測晶片(1)至(6)的Rf值，結果如第9圖所示。
由第9圖可知，若拉曼檢測晶片的奈米線長度小於5μm(例如1μm、或2μm)，則待測物分子與奈米線的吸附力量不足，造成分離距離過長(Rf值過大)，增加成本及處理時間。若奈米陣列的長度大於15μm(例如為20μm)，則待測分子與奈米線之間的吸附力太強，導致待測分子不易隨著揮發溶劑來移動，造成很短的分離距離(Rf值過小)，無法有效進行分離。此外，由拉曼光譜量測的結果可知，過長或過短的分離距離，皆會使最終量測到的三聚氰胺的拉曼光譜訊號強度下降。
實施例8：
首先，在牛奶中加入30ppm的三聚氰胺，作為待測樣品。接著，將該樣品以施塗器(CAMAG Linomat 5)利用氣體壓力分別點附於拉曼檢測晶片(4)上，並對該樣品進行拉曼光譜量測，結果如第10圖所示。接著，將拉曼檢測晶片(4)置於一展開槽中並以甲醇作為展開液。展開完畢後，對拉曼檢測晶片(4)沿著待測物分離方向，每1mm量測一次拉曼光譜，並記錄三聚氰胺(melamine)訊號最強處，結果如第10圖所示。由第10圖可知，與未展開前之樣品 三聚氰胺特徵光譜訊號相比，經展開分離後所得之三聚氰胺特徵光譜訊號可增加至約數十倍，此代表經過分離後可減少三聚氰胺小分子被牛奶中的大分子(例如蛋白質)覆蓋或佔據晶片感測位置的干擾，因而使三聚氰胺訊號增強。
實施例9：
如實施例8所述的方式進行，除了將樣品中的三聚氰胺濃度由30ppm降低至5ppm。與未展開前之樣品三聚氰胺特徵光譜訊號相比，經展開分離後所得之三聚氰胺特徵光譜訊號可增加至5倍左右。由此可知，本發明所述拉曼檢測晶片即使具有較低濃度的三聚氰胺時，仍可有效降低背景值的干擾並提昇鑑別率。
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，任何本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。
2-2’‧‧‧切線
10‧‧‧矽基底
20‧‧‧平坦部
22‧‧‧奈米線
23‧‧‧頂端表面
25‧‧‧側壁
30‧‧‧金屬層
100‧‧‧具有薄層層析之拉曼檢測晶片

Claims (13)

  1. 一種具有薄層層析之拉曼檢測晶片，包含：一矽基底，包含一平坦部及配置於該平坦部之上的複數奈米線，其中每一奈米線具有一頂端表面及一側壁；以及一金屬層覆蓋該奈米線的頂端表面及至少部份側壁，其中該奈米線之總長度L為5μm至15μm。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶片，其中金屬層係由複數金屬顆粒所構成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶片，其中該金屬顆粒之材料係銀(Ag)、金(Au)、鋁(Al)、銅(Cu)、錫(Sn)、鈦(Ti)、鋇(Ba)、鉑(Pt)、鈷(Co)、或上述之組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶片，其中該奈米線的頂端表面之直徑係50nm至200nm。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶片，其中任意兩相鄰的奈米線相隔之距離為50nm至200nm。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶片，其中該金屬層的厚度為20nm至100nm。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶片，其中被該金屬層係由該奈米線的頂端往該奈米線的側壁延伸以覆蓋該奈米線的部份側壁。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶片，其中被該金屬層覆蓋的該奈米線側壁之長度L1與該奈米線之總長度L的比為0.2至0.8。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶 片，其中被該金屬層覆蓋的該奈米線側壁之長度L1與該奈米線之總長度L的比為0.3至0.74。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶片，更包含：一修飾層形成於未被該金屬層覆蓋的該奈米線側壁上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶片，其中該修飾層係為氧化矽、氮化矽、氧化鋁，或可調整矽表面的極性(polarity)的官能化修飾材料。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶片，其中該奈米線之側壁為一傾斜側壁(slanted sidewall)。
  13. 一種分離檢測分析物之方法，包含：提供如申請專利範圍第1項所述之具有薄層層析之拉曼檢測晶片；提供一樣品，其中該樣品包含一溶劑及至少一種待測化合物；將該樣品點附於該具有薄層層析之拉曼檢測晶片上；藉由一薄層層析法分離該樣品，得到至少一個分析點；以及對該分析點進行一表面增強拉曼光譜量測。
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