嚴大任、李從赫 / 清華大學
本篇主要探討針尖增強拉曼光譜(TERS)技術的原理、系統架構以及拉曼光譜與人工智慧(AI)領域的尖端應用。傳統拉曼光譜常受限於光學繞射極限，難以觀測奈米尺度的微觀結構。為突破此瓶頸，TERS技術利用鍍有貴金屬的尖銳針尖作為「奈米天線」，激發強烈的表面電漿共振，將光子能量壓縮於極小空間，提供高達百萬倍的信號增強，進而實現奈米級的超高空間解析度成像。文章詳細剖析了TERS的光學配置與三大主流掃描探針系統(STM、AFM、SFM)的環境應用。在實際應用上，TERS已成為分析碳奈米管、石墨烯等二維材料異質性與奈米缺陷的核心利器。此外，文章也點出未來趨勢：藉由人工智慧(AI)與機器學習的注入，拉曼光譜能高效處理巨量數據，自動優化奈米材料影像，並廣泛推向癌症精準診斷與耐藥性超級真菌的即時鑑別，展現出結合智慧演算法與尖端硬體表徵的臨床醫療與現場檢測潛力。
【內文精選】
尖端增強拉曼光譜(TERS)的系統架構與核心技術
尖端增強拉曼光譜(TERS)的空間解析度與信號增強效率，本質上取決於光學激發/收集幾何配置、掃描探針顯微術(Scanning Probe Microscopy; SPM)的回饋控制機制，以及探針尖端的局部表面電漿共振(Localized Surface Plasmon Resonance; LSPR)效應。本節將針對此三項決定TERS 性能的核心要素進行系統性的剖析。
1.光學幾何配置：激發與收集模式
在TERS儀器的設計中，雷射如何精準照射針尖與樣品的交界區域，是決定信號增強效率與樣品適用性的關鍵。底部照明(Bottom Illumination)，如圖二(a)所示，通常由倒立顯微鏡與SPM系統組合而成，雷射自樣品下方透過透明基底聚焦於針尖尖端，並由同一個物鏡收集反向散射的拉曼信號。由於其光路完全不受針尖與懸臂樑的物理空間限制，系統可採用短工作距離且具高數值孔徑（NA可達1.4）的油浸或水浸物鏡，將激發光點聚焦至繞射極限的最小值，並以極大的立體角收集散射光，展現出極高的光學效率；然而，該模式嚴格受限於基底與樣品的透光性，僅適用於透明樣品，若遭遇不透明樣品則會阻斷光路，儘管部分改良設計嘗試引入分束鏡或雙色鏡以繞過遮蔽，但這會顯著增加光學架構的複雜度。
側向照明(Side Illumination)，如圖二(b)所示，採特定角度（通常相對於針尖軸線呈45°至70°）自側邊引入雷射並照射針尖，其擺脫樣品透光性的束縛，這使其具備極高的樣品泛用性，同時兼容透明與不透明樣品，非常適合研究大塊金屬基底或進行「間隙模式(Gap Mode)」量測；不過，受限於SPM探針頭部的空間約束，該模式必須選用長工作距離物鏡，導致其數值孔徑通常較低(NA < 0.55)而降低了收集效率，且非對稱的照射角度會導致聚焦光點呈橢圓形，容易拉高幾何背景雜訊。
頂部照明(Top Illumination)，如圖二(c)所示，其使用垂直入射設計，將雷射自正上方直接引入並聚焦於樣品與針尖的接觸點，這種對稱的垂直照射有效克服了側向照明中光點不對稱與幾何形變的問題，且其配備的物鏡數值孔徑相對較高（NA可達0.7），在激發與收集效率上皆優於側向照明，並同樣適用於全類型樣品，唯一缺點是位於物鏡與樣品之間的探針本體會遮擋部分中央入射光，從而輕微削減了整體的有效激發功率與信號收集率 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖二、TERS測量的一些常見配置：(a)底部照明，常用於基於AFM的TERS；(b)側向照明，常用於基於STM的TERS，但也可用於基於AFM的TERS；(c)頂部照明，常用於帶有傾斜探針的基於AFM的TERS
★本文節錄自《工業材料雜誌》475期，更多資料請見下方附檔。