生醫工程實驗期中報告拉曼效應

電機四b03611042羅紹瑜

電機四b03901120王柏安

拉曼散射與瑞立散射

瑞立散射為彈性碰撞，入射光並不改變波長，拉曼散射為非彈性碰撞，入射光會改變波長。

瑞立散射在強度上往往比拉曼散射強上許多，故在分析訊號時須做信號處理。

用干涉濾光片，可以濾去光源中非雷射頻率的大部分光能量。在樣品後，用合適的干涉濾光片或吸收盒，可以濾去不需要的瑞利散射的一大部分能量，提高拉曼散射的相對強度。

拉曼光譜儀原理

理論簡介-拉曼效應

拉曼效應是由印度科學家錢德拉賽卡拉．拉曼於1928年所發現，並因此獲得1930年諾貝爾獎。當光子與分子的電子雲或者是分子鍵產生作用時，會改變光子的行進方向亦或是能量。可用來檢測化學分子及研究物質的特性，廣泛的被應用在各個科學領域當中。

散射光頻率與入射光頻率差值稱為拉曼位移。

拉曼頻率偏移量，一般用波數波長的倒數，即1 /λ）的來描述。

理論簡介-拉曼效應應用

拉曼效應如今廣泛應用於化學分子檢測、生物醫學應用、藥物研究、食品檢測，並且擁有十分大的潛力與開創性。對欲檢測之物較不具有破壞性，且較許多方法更具有高效性，因此許多科學家積極投入在其研究中。

理論簡介-表面增強拉曼效應

在1977年由Van Duyne 和Creighton 兩組同時獨立發現粗糙銀電極的拉曼訊號較未經處理的銀電極拉曼訊號大上數個數量級，進而發展出表面增強拉曼散射(SERS)。

理論簡介-表面增強拉曼效應-電磁效應

當入射光入射奈米結構金屬時，入射光會讓奈米結構金屬的表面電子產生同調性運動，此即表面電漿子共振，此效應會讓表面電漿子產生短暫極化現象，而在奈米結構金屬表面形成強大的局部電場，會讓接近金屬表面的檢測分子受到此電場作用，產生一誘導偶極矩，導致拉曼訊號增強。

表面電漿子效應理論上在光為TM態(水平極化態)時才會顯現，TE態(垂直極化態)時則未有此效應。

理論簡介-表面增強拉曼效應-電磁效應

理論簡介-表面增強拉曼效應-化學效應

分子與金屬吸附時，分子電子與金屬電子可以相互轉移。當金屬共振吸收了光的能量極容易轉移給分子，而分子會產生新的電荷轉移能階，而增大分子極化率，使散射光強度提高。

拉曼效應基板製作

清洗 塗光阻 電子束去反應光

阻

鍍鉻除光阻RIE除鉻

拉曼光柵基板完成品

鍍約100nm銀於基板上。

拉曼效應基板製作-以奈米結構光柵製程為例

純矽基板 超音波振洗機

以丙酮，甲醇，水的順序對基板清洗，丙酮目的為清除掉基板上的有機分子，而甲醇可以與丙酮及水互溶，故可以清除機板上之殘留丙酮。水可以將甲醇洗淨，以及清除基板表面具極性之小分子，達到清洗基板的目的。

拉曼效應基板製作-以奈米結構光柵製程為例為了將光阻劑均勻塗布於基板上，須採用旋轉式塗布機來完成此項步驟

旋轉式塗佈機

拉曼效應基板製作-以奈米結構光柵製程為例

藉由調控電子束的移動，在光阻上繪製圖形。受到電子束照射的光阻會分解為較為脆弱的結構，在後續步驟可以用顯影液移除

電子束微影機台

拉曼效應基板製作-以奈米結構光柵製程為例在微影過程中，被電子束照射過的光阻會因和電子之間的化學反應，而在顯影的過程中脫落。將受電子束微影後基板放入顯影液中，顯影液會將受過電子照射起反應的光阻脫去。

拉曼效應基板製作-以奈米結構光柵製程為例

電子槍蒸鍍(E-gun)是以物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition, PVD)鍍膜，而此台儀器是以蒸鍍的方式，將金屬原子蒸鍍於基板上，進而沉積出一層金屬膜。在蒸鍍時，會將汽化後的鉻鍍於基板上。

電子槍蒸鍍機台

拉曼效應基板製作-以奈米結構光柵製程為例

把基板泡於除光阻液中，將未被顯影的光阻去除，去除過程中順帶將底下附有光阻的鉻層一同去除。

拉曼效應基板製作-以奈米結構光柵製程為例

此機台會以RF射頻將氣體游離出電漿態，通過一磁場使電漿能量加強，在上下方加電場使正離子能轟擊基板，其餘不帶電粒子以化學反應與基板作用，用此電漿對基板進行蝕刻，目的將所繪製的圖案轉移到矽基板上。

反應式離子蝕刻機

拉曼效應基板製作-以奈米結構光柵製程為例

將基板浸泡於Cr-7除鉻溶液，將經過蝕刻的基板上的鉻去除。

拉曼效應基板製作-以奈米結構光柵製程為例

以專門鍍銀之電子槍蒸鍍機台，鍍約100nm銀於基板上。

拉曼效應基板製作-以化學方法為例

目的為製作粗糙的銀金屬表面，用以表面增強拉曼效應。

銀金屬會形成具有幾何狀的結構。

拉曼效應基板製作-以化學方法為例

拉曼效應基板製作-以化學方法為例

在矽基板上成長一層300奈米厚的氧化層，而後在上面沉積氯化銫約10奈米。

將基板放入控制溫度與濕度的環境下，此時氯化銫會形成半球型的結構。在氯化銫結構表面上再鍍上一層鉻，放入震蝕機裡將氯化銫部分結構清除。後將晶片放入RIE中，除掉未受鉻層保護的氧化層。泡入除鉻溶液中將鉻層去除，再沉積一層銀，最後用氫氟酸溶液刻畫出表面微奈米結構。

拉曼效應基板製作-以化學方法為例

outer diameter, 450 nm, inner diameter, 190 nm, the fractional

area covered in silver 0.36.

拉曼效應基板製作-以化學方法為例

在最後一步中調控氫氟酸溶液的濃度及浸泡時間可以將為結構作成不同的幾何形狀，文獻指出環狀之結構為能將表面增強拉曼效應提高最多之結構，因此此研究便選定此狀結構作為晶片的微奈米結構。

拉曼光譜儀外觀- T64000光譜儀

拉曼效應的例子-苯甲酸光譜

拉曼效應用在量測上的例子-DNA量測

拉曼效應用在量測上的例子-DNA量測

將探針DNA(probe DNA)固定於銀的基板上，及探討其光譜的變化和優化晶片的效能。探針DNA目的為偵測目標DNA(target DNA)是否與其匹配，若與其匹配，則兩者會以雙股螺旋形式結合，造成拉曼光譜訊號與之前未配對之探針DNA的訊號出現差異，藉此能得知目標DNA的性質。

將探針DNA固定於晶片上，需要借助化學的方法。將探針DNA硫化後，其與晶片的銀表面會形成Ag-S鍵結，而能被固定於其上。將晶片至於含目標DNA的溶液內，浸泡一段時間後取出晶片，分析其拉曼光譜，可發現光譜有明顯的差異。

拉曼效應用在量測上的例子-DNA量測

DNA雜交為兩股DNA糾纏變為雙股螺旋DNA，圖為其光譜變化:(a)為細菌的DNA，下面的光譜為雜交前的光譜，而上面的光譜圖為雜交後的光譜，可見有所變化。(b)為哺乳動物的DNA下面的光譜為雜交前的光譜，而上面的光譜圖為雜交後的光譜，可見也有所變化。由此說明表面增強拉曼效應可以用在生物醫學的檢測。

拉曼光譜儀與其他光譜儀差異

比較條件拉曼光譜儀 Raman Spectrometer

紅外光譜儀 IR Spectrometer

光譜原理 震動分子產生光的散射。 震動分子而吸收光線。

分子震動的現象若震動產生極化的變動，則是拉曼效應。

若震動產生偶極矩變化，則是紅外線效應。

分子震動要素不用考量分子震動時的永久偶極矩。

需要考慮分子震動時的偶極矩。

水溶劑在光譜儀的操作上，水可以當做樣品的溶劑使用。

在光譜儀的操作上，樣品不可以是水的溶液，因為水具有強烈的吸收紅外線的能力。

光譜儀樣品準備樣品前處理不是特別必要，因為「拉曼光譜儀」幾乎可以接受所有模式的樣品。

樣品前處理較複雜，氣態樣品較不常見。

檢測結果 檢測分子的共價特性。 檢測分子的離子特性。

成本 「拉曼光譜儀」的價格偏高。相對來說「紅外線光譜儀」價格比較經濟。

拉曼效應的限制

一般非共振形式的拉曼散射效應非常微弱，一般約106 ~108

個入射光光子才發生一次非彈性碰撞的拉曼散射。這種本質上的微弱訊號使拉曼光譜在對敏感度要求較高的應用中受到了許多限制。因此科學家們努力研究各種可以幫助提升拉曼訊號的方式

共振拉曼效應(Resonance Raman; RR)

即當入射光的波長處於所量測分子的電子吸收峰範圍內時，電子發生躍遷的機率會大大提升，使某些分子振動模式的拉曼散射截面積(Scattering Cross Section)可增強高達106倍，使得檢測單層(Monolayer)分子成為可能。

然而共振拉曼效應不是“表面”專一的效應，待測溶液中其他物種若也處於此電子吸收峰範圍內時，其訊號會相互干擾，造成判讀上的不易。此外只有特定分子會在可見光區有相匹配的電子吸收能階，也限制了可量測物種的範圍。

表面增強拉曼效應1970 年發現，吡啶在粗糙銀電極上可以得到很高的拉曼訊號。訊號的增強來自拉曼散射本身，增強的訊號也已證實可應用在許多不同的分子上，只要是分子吸附在各種不同的粗糙金屬表面而這種效應稱表面增強拉曼散射（SERS），相較傳統拉曼有更高的靈敏度，相較於傳統拉曼有 103~105 增強級數，之後經過20年的研究，已可達到相當於 1014 級之增強效應。

銀奈米結構及其表面增強拉曼效應應用示意圖

針尖增強拉曼效應

針尖增強拉曼效應(TERS)是將表面增強拉曼光譜以及原子力顯微鏡(AFM)分析的技術結合起來，來提升成像的識別尺度。

Tip Enhanced Raman spectroscopy

針尖增強拉曼效應

藉由將原子力顯微鏡的針尖包覆表面增強拉曼散射的活性金屬，使其具有表面增強拉曼散射的活性，能使增強的效應只在很小的範圍所產生。

針尖增強拉曼效應

使具有SERS活性的針尖藉由雷射與待測物接觸，此時具有兩種類型的拉曼散射:

其中一種為繞射極限的一般雷射拉曼散射

另一種為來自針尖的表面增強拉曼散射，綜合起來極為針尖增強拉曼散射

單分子拉曼光譜成像

2013年6月6日由中國科學技術大學單分子科學團隊發表於NATURE

單分子拉曼光譜成像

首次實現了單分子光學拉曼成像

突破光學成像繞射的瓶頸

將空間成像的識別度提高至1nm以下

拉曼效應應用

在 1989 年，最早將表面增強拉曼散射應用於免疫分析的為人類的促甲狀腺刺激素（Thyroid-Stimulating-Hormone,

TSH）

利用兩種表面增強拉曼散射標定的免疫分析系統簡圖

拉曼效應應用

此實驗有兩種分析方法，其一活化基值為銀膜，將抗甲狀腺刺激素抗體（anti-TSH）塗在上面，使其和 TSH 反應。第二種抗甲狀腺刺激素抗體以對一双甲基氨基苯來標定與 TSH 結合，以此增強拉曼拉曼散射訊號定量 TSH。

第二種分析的形式為將膠體金當成表面活化基質。將抗體定置於金的表面抓取溶液中的抗原。藉由定置改變抗體和使用的辨識物，則存在溶液中不同的抗原可經不同的辨識物透過 SERS 光譜讀出。

拉曼效應應用

以表面增強拉曼散射偵測兩種神經傳送素，多巴胺(dopamine)以及正腎上腺素(norepinephrine)，濃度介於5×10-6 到 5×10-9M 之間，累聚時間約為 0.025s。儘管化學分子結構非常地相似，但以透過SERS 依然可以很清楚的區別它們的不同。

於膠體溶液中，表面增強拉曼散射偵測兩種神經傳送素之圖譜

參考文獻

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