表面增強拉曼光譜(SERS)於生醫及環境檢測之應用與挑戰

 

刊登日期:2021/11/3
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劉定宇1、徐維臨1、何柏成1、簡廷因1、鄭有為2 / 明志科技大學1材料工程系、2化學工程系;陳正雄/崇浩光電科技(股)公司
 
表面增強拉曼光譜(SERS)繼承了拉曼光譜上豐富的化學指紋信息,並通過貴金屬(金或銀)奈米粒子的電漿子共振熱點效應,可將原始拉曼光譜訊號放大100萬倍以上,增加檢測之靈敏度。特別的是,SERS光譜相對於FTIR,可以在水性條件下方便地進行測量,並且不需要螢光標定(Label-free),成為研究生醫分子及環境水中毒物檢測非常有潛力的技術。不過,SERS檢測技術雖然方便快速,但在樣品前處理方面往往還是曠日費時,因此本技術結合了「磁性分離」、「可攜式拉曼光譜」、「表面拉曼增強散射(SERS)二維貴金屬奈米陣列晶片」三個元素,應用於生醫-環境檢體前處理及快速檢測。由於二維材料的高表面積及可撓特性,相較於傳統的磁性奈米粒子,磁性二維奈米片能抓取更多的待測物(類似漁網補魚的概念)。磁性二維奈米片具有磁分離/收集的特性,外加磁場後可輕易抓取並濃縮待測物(細菌、病毒(SARS-CoV-2)、尿毒素、水中毒物),接著利用貴金屬奈米粒子/二維奈米片產生的SERS效應,其靈敏且專一的SERS光譜,能快速分辨為何種待測物。 
 
前言
表面增強拉曼光譜(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy; SERS)檢測技術為Fleischmann等學者於1974年提出,透過粗糙銀電極和在電極表面吸附地單分子-砒啶(Pyridine)作用,增加了106倍以上的拉曼光譜訊號,開啟了SERS光譜技術在各項領域的研究和應用。拉曼訊號增強的神秘面紗也被揭開,原來當特定材料在奈米尺度下,受到激發訊號的刺激,表面電漿子會發生共振,而粗糙的結構能提供更大的表面積,提供更多的區域使表面電漿子共振產生,這種效應稱為局域表面電漿共振(Localized Surface Plasmon Resonance; LSPR),並且在兩貴金屬(金或銀)奈米粒子的間隙中(<10奈米),會存在許多局部電場特別強的位置,我們稱之為熱點效應(Hot Spots),1997年S.M. Nie提出利用熱點模型(Hot Junction) 增強的拉曼訊號,特徵光譜可以獲得1014倍以上的放大,且隨著兩貴金屬奈米粒子距離愈接近,其放大倍率愈大。但兩貴金屬粒子不能相互接觸,否則其效應會消失。因此,如何大面積的控制兩貴金屬粒子的間距,且不能相接觸,為本技術最大的挑戰。
 
隨著近年台灣層出不窮的抗藥型細菌、食安、毒品、科技廠非法排放廢液等問題,對於生醫、食品添加物及對環境有害之汙染物等方面的檢測需求也因而增加,再加上2019年底的新冠病毒(SARS-CoV-2)造成大家的恐慌,因此期能開發一種快速檢測出病菌、病毒、食品安全及環境毒物的方法,結合奈米材料、磁性分離及光學檢測技術,利用奈米金粒子與奈米磁性鐵粒子固定於二維奈米片上,並搭配可攜式拉曼光譜儀(633奈米雷射,委託崇浩光電科技公司客製化製作)及磁分離設備,快速磁分離及篩檢生醫及環境毒物樣品。樣品透過雷射打入待測分子使得分子震動,形成拉曼散射後所得到的光譜進行成分分析,但拉曼光譜的缺點在於得到的訊號相當微弱,且樣品的前處理時間曠日費時,為了加速樣品前處理的速度及提高生物分子的訊號,藉由本技術將磁性氧化鐵和金奈米粒子嵌入二維奈米片(矽酸鹽奈米片或石墨烯奈米片)上,形成具有磁性分離及光學檢測能力之二維奈米片。利用貴金屬奈米粒子中的拉曼放大效應,增加生物分子與各污染物的偵測極限,並利用磁性之特性進行快速捕捉及分離待測物,建立出快速磁分離及檢測之SERS分析平台。
 
技術優勢
「磁性金屬二維奈米片用於磁分離及SERS檢測平台技術」相較於其他的分析方法,拉曼光譜有很多顯而易見的優點(圖一):
(1) 光譜分析屬於非破壞檢測,可以在不損傷樣品的情況下進行分析,且可用於偵測各種狀態(固體、液相或漿狀甚至是氣體)的樣品。
(2) 視分析需求,可以提供豐富的樣品資訊,包含化學鍵結、結晶度和晶型、相變或材料應力、蛋白質二級結構等。
(3) 檢測快速,樣品製備簡易,可用水當作溶劑,有利於生化分子的檢測(FTIR不能偵測含水樣品)---此為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖一、磁性金屬二維奈米片於磁分離及SERS快速生醫檢測平台技術示意圖
圖一、磁性金屬二維奈米片於磁分離及SERS快速生醫檢測平台技術示意圖
 
合成磁性二維SERS奈米片流程:
1. 合成脫層蒙脫土(NSP)部分 (圖二之Step 1~ 3):
合成的蒙脫土(MMT,CEC = 115 mequiv/100 g,1.0g)分散在100 mL去離子水中
為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。在80℃下劇烈攪拌。製備的---此為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖二、磁性貴金屬二維奈米片製備方法示意圖
圖二、磁性貴金屬二維奈米片製備方法示意圖

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