表面電漿共振技術於水環境檢測之應用

刊登日期:2014/12/5
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從飲用水中是否含有影響人體物質(如環境荷爾蒙、生菌數),到工廠排放廢水所含污染物(如化學需氧量、重金屬)是否符合放流水標準,水質一直為大眾所關心的重要議題。雖然目前分析方法與儀器設備已可提供詳盡之水質數據與資訊,但仍有部分項目或因樣品前處理與分析費時(如多數新興污染物分析需先經固相萃取程序),或因儀器不適合現地使用(如重金屬分析使用原子吸收光譜儀),對即時因應水體環境變化仍有不足之處。表面電漿共振( Surface Plasmon Resonance;SPR )是一種奈米光學現象,當特定金屬(如金、銀與銅等)表面電子振盪與特定角度、波長之入射光產生共振效應時,此特定波長光子能量將為金屬薄膜表面自由電子所吸收。

由於應用表面電漿共振技術進行檢測,具有反應時間迅速(數秒至數分鐘)、微量樣本(通常為μL等級)即可感知有效訊號等特點,適合發展為感測晶片進行現地檢測應用。而本技術於水環境檢測應用,主要為將具表面電漿共振特性材料,修飾具備可吸附特定污染物之能力,或開發成可增強表面吸附物質拉曼散射現象之試片。前者可藉由量測材料於吸附特定污染物後吸收波譜偏移,藉以判斷環境污染物存在狀態,後者則可藉由強化後之拉曼光譜,解析所吸附之污染物成分,甚至進一步完成濃度定量。本文將針對表面電漿共振技術於水環境檢測應用進行回顧,並簡介國內目前材料研究發展現況。

工研院於表面電漿共振檢測材料發展介紹
1. SERS基板開發與水中污染物成分分析應用
工研院材化所近年來也持續投入表面電漿子共振技術的研發,為了提供穩定、再現性高、具量產性的SERS基板,透過有限時域差分法( Finite Difference Time Domain;FDTD )計算最佳化奈米結構尺寸與多層膜厚度,預測電漿子共振波長能量熱點分布,並以有量產潛力的奈米壓印製程實現SERS基板的製作。

此一低成本的高分子軟性 SERS 基板,已成功應用於檢測水中如 R6G 化學染料、殺菌劑(孔雀石綠)等微量毒化物。圖一(a)為使用 Polymer-SERS基板實測濃度 10-5M的孔雀石綠溶液,基板上不同位置的拉曼訊號量測結果,結果顯示基板變異度不大( RSD< 5% ),進一步利用該基板以特徵拉曼光譜 1,620 cm-1的強度建立不同濃度的檢量線,結果如圖一(b),可看出基板在 10-6M~10-8M範圍內具有良好的線性關係,推測最低偵測濃度約為 0.73 μg/L,滿足歐盟對養殖池水或河水中的監控標準( <100 μg/L )。


圖一、(a)在SERS基板上不同位置量得的待測物拉曼訊號;(b)以不同濃度特徵拉曼光譜(1,620 cm-1)建立待測物的檢量線

除了低成本的高分子軟性 SERS 基板,工研院也持續針對該基板的耐熱性、拉曼背景干擾與耐酸鹼溶劑等特性加以改善,開發全無機結構的三明治奈米結構鎳基板,可改善基板的拉曼背景干擾問題。此外,由於金屬基板具有良好的導熱性,故可避免量測時因雷射能量密度過高而造成基板上面的奈米結構毀損或過程中產生氣泡影響訊號蒐集,可提升訊號長時間量測下的穩定性,圖二為 Polymer-SERS 基板與 Ni-SERS 基板的穩定性比較。

2. LSPR晶片發展與水質監測相關應用
於 LSPR晶片發展方面,工研院透過週期性排列的奈米結構設計,調整結構尺寸所造成的局域化表面電漿共振模態( LSPR Mode )與光柵繞射效應造成的雷利異常模態( Rayleigh Anomaly Mode ),可激發菲諾共振模態( Fano Resonance Mode ),所得特徵光譜半高峰較目前以散亂分布奈米結構為主之
……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文。


圖四、工研院 LSPR晶片最佳化設計模擬結果

作者:徐樹剛、林鼎晸、游舒媛、張昭君/工研院材化所
 ★完整內容請見下方檔案。


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