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TW201333449A - 分子感測裝置 - Google Patents

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TW201333449A
TW201333449A TW101148282A TW101148282A TW201333449A TW 201333449 A TW201333449 A TW 201333449A TW 101148282 A TW101148282 A TW 101148282A TW 101148282 A TW101148282 A TW 101148282A TW 201333449 A TW201333449 A TW 201333449A
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film
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An-Soon Kim
Zhi-Yong Li
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Hewlett Packard Development Co
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Abstract

一種分子感測裝置，其中含有一基板；一凹井，此者係經i)構成於經設置在該基板之表面上的材料內，或者ii)構成於該基板的表面內；一信號放大結構，此者係經設置在該凹井內；以及一分子選擇裝置，此者係經可卸除地設置而運作接觸於該凹井。

Description

分子感測裝置
本發明概略關於一種分子感測裝置。
許多化驗及其他感測系統現已運用於化學、生物化學、醫學和環境領域，藉以偵測一或更多化學物質的出現及/或濃度狀態。有些感測技術是運用色彩或對比度來進行物質偵測及測量，例如基於反射、透光、螢光或磷光的技術。其他的感測技術，像是Raman光譜或表面增強Raman光譜(SERS)，則是對一系統內的振動、旋轉以及其他的低頻模式進行研究。尤其，可運用Raman光譜來探討當光子與分子相互作用時，這會造成散射光子能量移動，分子能量狀態之間的轉移情況。分子的Raman散射可視為兩項程序。首先，藉由入射光子，這通常是位於光學頻域內，將位於某個能量狀態處的分子激發至另一(無論為虛擬或真實)能量狀態。然後，受激發的分子在其環境的影響下，其中可位在相比於激發光子可為相對較低(亦即Stokes散射)或為相對較高(亦即Anti-Stokes散射)的頻率處，按如雙極來源般輻射。而不同分子或物質的Raman光譜具有可用以進行物項識別的特徵尖峰。
在一實施例中揭示一種分子感測裝置，其包含：一基板；一 凹井，此者係經i)構成於設置在該基板之表面上的材料內，或者ii)構成於該基板的表面內；一信號放大結構，此者係經設置在該凹井內；以及一分子選擇裝置，此者係經可卸除地設置而運作接觸於該凹井。
在另一實施例中揭示一種利用前述之分子感測裝置的方法，該方法包含：當將該分子選擇裝置設置為運作接觸於該凹井時，令該分子選擇裝置曝露於一樣本，藉以將經該分子選擇裝置所過濾的成份引入至該凹井；自該基板卸除該分子選擇裝置；以及對該凹井內的成份執行感測技術。
在又另一實施例中揭示一種表面增強Raman光譜(SERS)感測系統，其包含：一如前述之分子感測裝置；一樣本，此者含有待經由該分子選擇裝置所過濾並予引入至該分子感測裝置之該凹井內的成份；以及一Raman讀取器，此者係相對於該分子感測裝置的該凹井而運作設置。
在更另一實施例中揭示一種用以製作分子感測裝置的方法，該方法包含：構成一凹井，此者係i)位於經設置在一基板之表面上的材料內，或者ii)位於該基板的該表面內；在該凹井內構成一信號放大結構；以及可卸除地設置一分子選擇裝置而運作接觸於該凹井。
10‧‧‧分子感測裝置
10’‧‧‧分子感測裝置
10”‧‧‧分子感測裝置
10'''‧‧‧分子感測裝置
12‧‧‧基板
14‧‧‧凹井
14’‧‧‧凹井
16‧‧‧材料
18‧‧‧信號放大結構
20‧‧‧Raman信號增強材料
22‧‧‧基底局部
24‧‧‧惰性流體
26‧‧‧分子選擇裝置
28‧‧‧薄膜
28’‧‧‧薄膜
30‧‧‧固體萃取柱體
32‧‧‧外殼
33‧‧‧邊壁
34‧‧‧分子萃取材料
35‧‧‧空間
36‧‧‧多孔性薄膜
38‧‧‧雷射來源
40‧‧‧光偵測器
42‧‧‧光線過濾構件
44‧‧‧光線發散構件
60‧‧‧比較性水樣本
61‧‧‧比較性原始乳奶樣本
62‧‧‧經過濾乳奶樣本
63‧‧‧經過濾乳奶樣本
64‧‧‧經過濾乳奶樣本
65‧‧‧經過濾乳奶樣本
70‧‧‧比較性水樣本
71‧‧‧經薄膜過濾嬰兒配方樣本
72‧‧‧經柱體過濾嬰兒配方樣本
73‧‧‧經柱體過濾嬰兒配方樣本
74‧‧‧經柱體過濾嬰兒配方樣本
75‧‧‧經柱體過濾嬰兒配方樣本
100‧‧‧分子感測系統
S12‧‧‧表面
BS12‧‧‧背部表面
藉由參照後文詳細說明與圖式即能顯知本揭示範例的特性及優點，其中類似參考編號對應於相仿，然卻或非等同，元件。為簡化說明，具備先前已述功能之參考編號或特性可或無須關聯於其他該等出現於其內的圖式再加說明。
圖1A為一分子感測裝置範例的外觀視圖，此者含有一薄膜以作為分 子選擇裝置；圖1B為沿圖1A之直線1B-1B所顯現的截面視圖；圖2為另一分子感測裝置範例的外觀視圖，此者含有該薄膜以作為分子選擇裝置；圖3A為該分子感測裝置範例的外觀視圖，此者含有一固體萃取柱體以作為分子選擇裝置；圖3B為沿圖3A之直線3B-3B所顯現的截面視圖；圖4為另一分子感測裝置範例的外觀視圖，此者含有一凹井陣列；圖5為「表面增強Raman光譜(SERS)」感測系統的略圖說明；圖6為一圖形，此圖描繪在水、原始乳奶以及利用含有薄膜以作為分子選擇裝置之分子感測裝置範例所過濾的乳奶中不同濃度三聚氰胺的SERS光譜；以及圖7為一圖形，此圖描繪在水和利用含有薄膜以作為分子選擇裝置之分子感測裝置範例，以及利用含有固體萃取柱體以作為分子選擇裝置之另一分子感測裝置範例，所過濾的嬰兒配方中不同濃度三聚氰胺的SERS光譜。
待予透過感測應用方法(即如Raman感測技術)進行分析的樣本可能非常複雜，各式分子的範圍涵蓋自所針對者到屬於背景者。現已發現背景分子可能會顯著地蓋過所欲分子的信號，故而遮弱偵測出所欲分子的能力。即如其一範例，乳奶樣本中含有乳奶蛋白質、脂肪酸以及其他的大型分子物項，這些可能會主導該樣本並佔據感測器表面。這些大型物 項可能造成難以偵測到其他物項，像是三聚氰胺，而在某些情況下，當其他物項是在低濃度範圍(即如低於1mM)出現時，可能根本無法進行偵測。
本案所揭示的分子感測裝置範例可供在將樣本引入至含有信號放大結構之感測裝置的凹井內前先進行過濾。線內過濾處理可透過相對於該凹井為可運作且可卸除地設置的分子選擇裝置所達成。該分子選擇裝置係經選定以讓所欲分子能夠通過至該凹井並同時濾除背景分子。如此可有利地簡化樣本溶液並且可供對低濃度水準的分子進行敏感偵測。當完成過濾後，可卸除該分子選擇裝置而令曝出該凹井的內容藉以進行後續的分子感測。將該分子選擇裝置可卸除地整合至該分子感測裝置內可供藉由單一裝置即能完成樣本篩選及感測處理。
本案文中揭示兩款分子選擇裝置範例。在一些範例裡，該分子選擇裝置是一種具有分子重量門檻值的薄膜。這些範例係參照於至少圖1A、1B及2所描述。而在其他範例中，該分子選擇裝置則是一種固體萃取柱體。這些範例係參照於至少圖3A及3B所描述。
現參照圖1A、1B、2、3A及3B中所顯示的範例，其中分別地描繪三個分子感測裝置範例10、10’和10”。應瞭解這些裝置10、10’和10”中所共有的元件將會併同地說明，然後再對這些裝置10、10’和10”裡不同的分子選擇裝置加以敘述。
該等分子感測裝置10、10’和10”各者皆含有一基板12。在圖1A、1B、3A及3B中所顯示的分子感測裝置10和10”含有凹井14，此者係構成於該基板12的一表面S12內，而在圖2中所顯示的分子感測裝置10’則含有凹井14’，此者係構成於一經設置在該基板12的表面S12上之 材料16的表面S16內。
當運用於一感測系統中(即如圖5所示系統100)，在圖1A、1B、2、3A及3B所示之任一範例內的基板12可依照該分子感測裝置10、10’和10”的位置而為透明或反射性。例如，若感測器係自其內構成有該凹井14或14’之表面S12或S16跨越設置，則該基板12可為從反射性及/或非反射性材料中所選定。本範例中的適當基板範例包含鍺質、矽質，或者像是玻璃、石英、氮化物、氧化鋁、藍寶石、氧化銦錫、透明聚合物(即如聚碳酸酯、聚酰胺、丙烯酸酯等等)的透明基板，該等的組合及/或該等的覆層。在一範例中，該透明基板在該基板12的背部表面BS12上含有一反射性映鏡。然而，若感測器係自該背部表面BS12(亦即相對於構成有該凹井14或14’之表面S12或S16的表面)所跨越設置，則該基板12可為由透明材料選定，故而任何所產生信號(即如散射光線)能夠穿透該基板12至該感測器。適當透明基板的範例包含玻璃、石英、氮化物、氧化鋁、藍寶石、氧化銦錫、透明聚合物(即如聚碳酸酯、聚酰胺、丙烯酸酯等等)，該等的組合及/或該等的覆層。當該凹井14係經構成於該基板12之內時，應瞭解亦可自能夠讓凹井14構成於其內的材料(即如藉由蝕刻、印刷或其他的適當技術)來選定該基板12。
在任一範例中，該基板12可具有任何所欲維度。在一範例裡，該基板12具有測試條的維度，令其可供插入至一含有樣本溶液的容器(即如燒杯)內。在圖1A及3A所示的範例中，該基板12可為足夠地微小以於其內製作單一凹井14，或可為足夠地龐大以於其內製作複數個凹井14。圖1A及3A中所示之基板12的厚度可為超過1μm，因此構成於其內的凹 井14具有約1μm的深度。在圖2中所示的範例裡，該基板12可為足夠地微小以供在設置於其上的材料16內製作單一凹井14’，或者可為足夠地龐大故而能夠在設置於其上的材料16內製作複數個凹井14’。圖2所示的基板12可具有任何所欲厚度以供支撐設置於其上的材料16。
在圖2中所示的範例裡，該材料16係於該基板12上沉積(並且在一些範例中為固化)到至少某一所欲厚度以供於其內構成該凹井14’。例如該材料16的厚度可為超過1μm，因此構成於其內的凹井14’具有約1μm的深度。在一範例裡，該材料16可為任何可供於其內構成該凹井14’(即如透過蝕刻、印刷或其他的適當技術)的透明材料。當該基板12為透明時，透明的材料16或為所樂見者。適當透明材料的範例包含玻璃、石英、氮化物、氧化鋁、二氧化矽、藍寶石、氧化銦錫、透明聚合物或該等的組合。若該基板12並非透明，則該材料16可或無須為透明材料。其他適當材料16的範例包含矽、鍺、鈦，該等材料的氧化物(即如氧化矽)或氮化物。當該凹井14’是經由印刷技術構成於該材料16內時(即如後文中進一步詳述)，該材料16可為紫外光或熱可固化光阻物。一些適當的光阻物可為自美國新澤西州Monmouth Junction的Nanonex Corp.(即如NXR-2000系列與NXR-1000系列)以及美國加州San Marcos的NanoLithoSolution Inc.(即如AR-UV-01)商購獲用。
即如前述，該等分子感測裝置10、10’及10”含有經構成於該基板12之表面S12內或是該材料16之表面S16內的凹井14或14’。在圖1A、1B、3A及3B所示的範例裡，該凹井14係一自該基板12之表面S12延伸至該基板12內某一所欲深度的腔洞，此深度小於該基板12的厚度。而 在圖2所示的範例裡，該凹井14’係一自該材料16之表面S16延伸至該材料16內某一所欲深度的腔洞，此深度小於或等於該材料16的厚度。據此，在一範例裡，該凹井14延伸穿過該材料16的整體厚度，故而曝出該基板表面S12；同時，在另一範例裡，該凹井14’則延伸穿過不足該材料16的整體厚度，所以不會曝出該基板表面S12。
該凹井14、14’可經構成為具有任何所欲形狀(即如自上視觀看該凹井14、14’所見)，並且可具有任何所欲維度(即如長度、寬度、直徑等等)，該些各者是至少部份地依照待於該凹井14、14’內構成之信號放大結構18的類型及數量、待予構成之凹井14、14’的數量、該基板12的尺寸以及，在一些實例裡，該材料16的尺寸而定。示範性的上視形狀包含正方形、長方形、圓形、三角形、橄欖形、橢圓形等等。圖1A、1B及2中所示範例的形狀為正方形，並且伸越於該等凹井14、14’的深度上連續。而圖3A及3B中所示範例的形狀為長方形，並且伸越於該等凹井14、14’的深度上連續。或另者，該等凹井14、14’的邊壁可為錐變性，因此該等凹井14、14’的維度會朝向該表面S12或S16遞增。
在圖1A、1B、2、3A及3B各者中雖顯示單一凹井14、14’，然應瞭解確可在單一基板12或單一材料16上構成任何數量的凹井14、14’。除因所用基板12的尺寸而定限之外，在所能構成之凹井14、14’的數量方面並無限制。當構成有多個凹井14、14’時，各個凹井14、14’可距相鄰凹井14、14’彼此間相隔足夠地遠，所以凹井14、14’互相流體隔離，並因此能夠依需要而定在單一凹井14、14’內執行感測技術。即如其一範例，在一陣列內的多個凹井14、14’可彼此相隔至少約1μm，這在一 些實例中約為雷射光點大小的限制。
圖1A、1B、2、3A及3B中所示之分子感測裝置10、10’及10”亦描繪出如前文所述經設置在該等凹井14、14’之內的(多個)信號放大結構18。所運用之信號放大結構18的類型及數量可為至少部份地依據藉由該分子感測裝置10、10’及10”所進行之感測處理的類型而定。例如，若該分子感測裝置10、10’及10”是運用於表面增強Raman光譜(SERS)，則該(等)信號放大結構18可具有奈米結構，這些的維度範圍至少為約0.1nm至約100nm，並且高度是小於其內構成出此等奈米結構之凹井14、14’的深度。即如其一範例，該凹井14、14’的深度約為1μm，並且該(等)信號放大結構18的高度約為500nm。
奈米結構的範例包含天線、立柱或奈米細線、支桿、彈性柱狀體或指形結構、角錐形結構、多面性結構等等。該(等)SERS信號放大結構18可為金屬或金屬鍍覆之電漿奈米結構，此者可將一分子(即如分析物、所欲物項、預設物項)在當曝露於雷射照射時的Raman散射加以放大。該金屬或金屬鍍層是一種信號增強材料，或是一種能夠將在特定感測程序中所產生之信號加以增強的材料。在一範例裡，該信號增強材料是一種Raman信號增強材料，而當分子(或其他所欲物項)係鄰近於該(等)信號放大結構18處並且當該等分子及材料承受於光線/電磁輻射時可增加Raman散射光子的數量。Raman信號增強材料包含例如銀、金和銅質。
在圖1A、1B、2、3A及3B裡，該Raman信號增強材料係經標註為20，並且為出現在該(等)信號放大結構18之基底局部22尖端處的材料。當該(等)信號放大結構18係經部份地或全然地鍍覆以該Raman信號 增強材料20時，該(等)信號放大結構18的基底局部22可為由任何其他的適當材料所構成，像是該基板12材料、該材料16等等。
該信號放大結構18亦可經組態設定以運用於像是增強螢光(即如金屬增強螢光或表面增強螢光(SEF))或是增強化學螢光的技術。即如其一範例，對於金屬增強螢光應用項目而言，該等信號放大結構18的基底22可經鍍覆以銀質奈米顆粒。即如另一範例，對於增強螢光應用項目來說，該等信號放大結構18可經組態設定以耦接區域性及傳播性的表面電漿。
在該凹井14、14’內可出現有任意數量的(多個)信號放大結構18，這是至少部份地依照該凹井14、14’的維度、該(等)信號放大結構18的尺寸及所予執行之感測處理的類型而定。即如範例，在單一凹井14、14’內可出現有單一信號放大結構18，或者單一凹井14、14’可含有多重結構組裝，像是二組體(亦即兩個結構18)、三組體(亦即三個結構18)、四組體(亦即四個結構18)、五組體(亦即五個結構18)等等。
在圖1A、1B、2、3A及3B中所示的分子感測裝置10、10’、10”可為透過多種方法所構成。尤其，該凹井14、14’可為經由任何適當技術所構成，而這是至少部份地依據所使用之基板12或材料16的類型，以及究為循序地抑或同時地形成該(等)凹井14、14’和該(等)信號放大結構18，而定。
在一些範例方法中，該(等)信號放大結構18以及該(等)凹井14、14’為循序地構成。在一範例方法裡，可運用一種二步驟的遮罩及蝕刻製程。當希望將該(等)凹井14構成於該基板12內時，此方法的範例包含首先在該基板12內構成該(等)信號放大結構18，並且接著在該基板12裡構成 該(等)凹井14。例如，可將一提供對於該(等)信號放大結構18之所欲圖樣的遮罩放置在該基板12上，並且可予蝕刻至一小於該基板厚度並且小於或等於該(等)凹井14之所欲深度的所欲深度。所用的蝕刻劑雖將為依照所使用的基板材料而定，然此項步驟通常將會牽涉到各向同性(濕性或乾性)蝕刻製程。在形成該(等)信號放大結構18之後即可卸除該遮罩。
可將另一個可提供對於該(等)凹井14之所欲圖案並同時保護先前構成之(多個)信號放大結構18的遮罩放置在該基板12上。接著進行蝕刻處理。此蝕刻步驟可進行至一小於該基板12之厚度並且小於或等於先前構成的(多個)信號放大結構18之高度的所欲深度。所使用的蝕刻劑雖再度地根據所使用的基板材料而定，然此步驟可能會牽涉到各向同性或各向異性(濕性或乾性)蝕刻製程。
相同的循序製程亦可在該材料16內執行，故而能夠在該材料16內產生該(等)凹井14’，並於其內構成(多個)信號放大結構18。應瞭解該基板12或該材料16亦可具有兩個覆層，其中上層材料及厚度為適合於構成該(等)信號放大結構18(利用前述的第一遮罩/蝕刻步驟)，並且下層材料及厚度適合於在其內構成該(等)凹井14、14’(利用前述的第二遮罩/蝕刻步驟)。
在另一範例方法裡，該(等)信號放大結構18以及凹井14、14’則是同時地構成。這可利用模具所達成，此者含有用於該(等)信號放大結構18以及該凹井14或14’兩者的圖案。該模具可為由單晶矽、聚合物材料(丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、聚酰亞胺等等)、金屬(鋁、銅、不鏽鋼、鎳、合金等等)、石英、陶瓷、藍寶石、氮化矽或玻璃所 構成。
模具內的圖案可為構成單一凹井14、14’，而其內設有一或更多信號放大結構18；或是多個凹井14、14’，且該等各者之內具有一或更多信號放大結構18。該圖案係該(等)所欲信號放大結構18以及凹井14、14’的負性複製，並因此定義出對於待予構成之(多個)信號放大結構18的至少(多個)基底22以及對於該凹井14、14’的形狀。當希望是一或更多信號放大結構18時，對於該等信號放大結構18的圖案可皆為相同(即如全為立柱)，或者可為互異(即如一個立柱，一個支桿，一個指形結構等等)，或者對於有些信號放大結構18的圖案可為不同於該等信號放大結構18的一或更多其他者(即如一個立柱，兩個支桿，兩個角錐等等)。此外，當希望是一個以上多信號放大結構18時，對於該等信號放大結構18的圖案可具有相同或不同的維度。又進一步，當利用相同模具來構成多個凹井14、14’時，該等凹井14、14’的圖案對於該等凹井14、14’之至少一者可為相同或不同，並且該等信號放大結構18的圖案對於該等凹井14、14’之至少一者可為相同或不同。
該圖案可例如透過深度反應離子蝕刻及鈍化作業以整合地構成在該模具裡。更詳細地說，可利用Bosch製程進行，並且此項製程是牽涉到一系列的交替性蝕刻(即如利用SF6及O2電漿)及鈍化(即如利用C4F8電漿)循環。可藉由控制該製程的條件(即如真空壓力、RF功率、總處理時間、個別蝕刻循環時間、個別鈍化循環時間及氣體流率)來控制所獲圖案的形態。在一範例裡，蝕刻器可在15mTorr壓力處運作，蝕刻器的線圈及滾筒功率分別為800W及10W，各個蝕刻循環(以SF6及O2)為6秒，各個鈍化循環(以 C4F8)為5秒，並且SF6、O2及C4F8的流率分別為100sccm、13sccm和100sccm。更一般而言，流率可為任何達至約100sccm的速率。
該圖案中構成該(等)信號放大結構18的局部可包含該等信號放大結構形狀的規則性或非規則性陣列。前述的蝕刻及鈍化製程通常會獲致非規則性陣列。應暸解為產生規則性陣列，可利用像是聚焦離子射束、電子射束微影蝕刻術或光學微影蝕刻術的製作方法。據信可按預設方式來設計該圖案中構成該(等)信號放大結構18的局部，藉以令所獲的(多個)信號放大結構18能夠敏感於Raman光譜上的目標範圍(即如能夠在特定波長內產生更強的信號)。
可將模具沖壓至該基板12或該材料16內。或另者，可令該基板12或該材料16沉積於該模具上。當將該模具沖壓至(另予接觸於)該基板12或該材料16內時，可令該結構曝露於UV光線或熱能，藉以部份地或全然地固化該基板12或該材料16。應暸解UV或熱能固化曝出的時間、所使用之UV光燈的功率、熱能的溫度以及其他固化參數將是至少部份地依照所運用的基板12或材料16而定。一旦完成固化後，即可卸除該模具，並且所獲結構含有經圖案化以構成該(等)信號放大結構18之凹井14、14’和(多個)基板22的基板12或材料16。在另一範例裡，當將該模具沖壓至(另予接觸於)該基板12或該材料16內時，可令進行部份固化處理。此部份固化處理可固化，然非全然地，該基板12或該材料16。在部份固化處理之後，即可卸除該模具。一旦卸除該模具之後，即可繼續進行固化，直到該基板12或該材料16完全固化為止。
在該範例方法中，接著可將該信號增強材料20沉積在該(等) 信號放大結構18之基底局部22的至少一表面上。該信號增強材料20可為由任何適當沉積或其他鍍層技術所建立。在一些範例裡，可運用毯覆沉積技術，故而能夠在該基板或該材料16的所有曝出局部上建立該材料20。在其他範例中，可利用選擇性沉積技術，因此能夠僅在例如該等基底22的頂上建立該材料20。即如範例，可透過電子射束(e-beam)汽化或濺鍍處理來沉積該材料20。又在其他範例裡，該信號增強材料20可為預鑄奈米顆粒(即如銀、金、銅質等等)，這些會被覆鍍於該基板12或該材料16上。此等奈米顆粒可具有範圍自約1nm至約10nm的平均直徑。據信在該基板22頂端處出現有該材料20奈米顆粒(而非連續地覆鍍該材料20)可在即如SERS的操作過程中進一步增強電場。該材料20本身亦可具有在沉積作業過程中自發性地形成的表面粗糙度。此表面粗糙度可作為一種額外的光學天線，藉以增加在各個信號放大結構18上的SERS作用位置。
又在另一範例方法裡，可利用遮罩及蝕刻或印刷處理以在該基板12或該材料16內構成該凹井14、14’，並且可利用遮罩及蝕刻或印刷處理以在分別的網板或晶圓上構成該等信號放大結構18。然後再將該等信號放大結構18放置在該凹井14、14’內。在此範例中，可透過適當的黏著劑以將該等信號放大結構18固定於該凹井14、14’。
現特定地參照圖1A、1B及2，在構成完整的該等信號放大結構18後，可將惰性流體24沉積或另行引入至該凹井14、14’內。該惰性流體24可為即如利用任何散佈器所沉積/散佈，此散佈器能夠沉積/散佈一量值的惰性流體24而環繞於該(等)信號放大結構18，並且在一些實例中為填入該凹井14、14’內。該惰性流體24亦可為藉人工方式，例如透過尖 管或小汲管，所散佈。該惰性流體24亦可或另為透過例如噴射散佈器(即如熱噴射散佈器、壓電噴射散佈器、壓電毛細噴射散佈器)或者音響散佈器(像是Labcyte Echo音響散佈器)自動地散佈。當使用氣體時，可將該結構放置在填裝有以該所欲氣體的盒皿或容器內。
該惰性流體24可為任何不會對該(等)信號放大結構18造成負面影響(即如劣化、型態改變等等)的適當液體或氣體。適當該惰性流體的範例包含氖氣、氬氣、氮基惰性氣體、乾燥空氣、去離子水等等。可運用該惰性流體24以避免該(等)信號放大結構18在引入該待測樣本內之前自週遭環境吸收非所欲物項。當利用多個指形結構作為該等信號放大結構18且納入在相同的凹井14、14’之內時，亦據信該惰性流體24可避免該等指形信號放大結構18不致於過早地並且非可逆地朝向彼此崩解(即如由於像是微細管力度的外部力度之故)。從而，當該裝置10、10’、10”收存不用時，該惰性流體24亦可對該等信號放大結構18提供穩定度。
本揭示中所有的範例裝置10、10’、10”皆包含一分子選擇裝置26。該分子選擇裝置26可運作以將樣本內的所欲分子隔離於該樣本中可能對所欲分子感測作業造成干擾的其他分子。
如圖1A、1B及2所示之裝置10、10’、10”的範例含有一薄膜28以作為該分子選擇裝置26。該薄膜28具有一分子重量(按原子質量單位，amu)門檻值或切截值，其中具有高於該門檻值或切截值之分子重量的分子是無法遷移穿過該薄膜28。同樣地，具有位於或低於該門檻值或切截值之分子重量的分子則能夠遷移穿過該薄膜28。該薄膜28的範例包含纖維素薄膜，或者具有厚度等於或小於100μm的多孔性無機薄膜。在一範例 裡，該多孔性無機薄膜的厚度是等於或小於50μm。適當的多孔性無機薄膜可為由玻璃或陶瓷材料所構成。
即如圖1A、1B及2所示，該薄膜28設置在該凹井14、14’之上。在這些範例中，該薄膜28覆蓋對該凹井14、14’的整個開口以及該基板12或該材料16之表面S12或S16環繞著該凹井14、14’的至少一局部。當希望將樣本引入至該凹井14、14’之內時，可將該薄膜28設置在該凹井14、14’上方的位置，或者可卸除地連附於該基板12或該材料16中鄰近於該凹井14、14’的區域。當為可卸除地連附時，可在該基板12或材料16與該薄膜28之間利用適當的黏著劑。所選定的黏著劑為可供在既已引入樣本之後並且在執行感測技術之前能夠從該基板12或材料16上剝除該薄膜28者。可自美國麻州Billerica的Epoxy Technology Inc.獲用各種可供氣密嵌封該薄膜28的環氧樹脂。有些黏著劑會在該薄膜28與該基板12之間形成強固的連附，並且在這些實例中該薄膜28為無法剝除。在這些實例裡，可利用機械工具(即如銳利尖鑿、切割刀片等等)來戳穿該薄膜28藉以曝出該信號放大結構18。
當運用該薄膜28時，可依照各種不同方式將含有多重分子之樣本的選擇分子經由該薄膜28引入至該凹井14、14’。在一範例裡，可將(具有經固化於其之薄膜28的)裝置10、10’浸沒在該樣本內，同時位於或低於該薄膜28之門檻值的分子將會擴散穿過該薄膜28並進入到該凹井14、14’內。在另一範例中，可將該樣本傾倒、散佈或按其他方式引入至該薄膜28的表面上，因此位於或低於該薄膜28之門檻值的分子將會擴散穿過該薄膜28並進入到該凹井14、14’內。
圖3A及3B中所示的裝置10”範例則含有一固體萃取柱體30以作為該分子選擇裝置26。該固體萃取柱體30含有一外殼32；經包裝在該外殼32之內的分子萃取材料34；以及多孔性薄膜36，此者在兩個相對末端E1、E2的其一者處連接至該外殼32。
該外殼32含有一或更多邊壁33，此等可為由聚合物材料(即如聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚(PEEK)、聚碳酸酯等等)、玻璃材料或金屬材料(即如鋁質)所構成。該(等)外殼邊壁33定義該外殼32的環週，並且該環週內的空間35為中空。該外殼32係經塑形，故而當該柱體30位在相對於該凹井14、14’的操作位置時，該(等)外殼邊壁33為環繞著該凹井14、14’。該外殼32可具有與該凹井14、14’相同的形狀(從上視而言)，或可如圖3A所示具有異於該凹井14、14’的不同形狀。該(等)邊壁33可構成具有兩個開放相對末端的中空圓柱體、具有兩個開放相對末端的中空立方體、具有兩個開放相對末端的中空長方形角柱體，或是任何其他能夠定義出具有兩個開放相對末端之中空結構的幾何體。
該分子萃取材料34係經包裝在該外殼32的空間35內。該分子萃取材料34可讓具有不同性質的分子依照不同速度通過該固體萃取柱體30。更特定地說，具有較低與該分子萃取材料34之結合係數的分子將會在具有較高與該分子萃取材料34之結合係數的分子之前先通過該柱體30。而至少一部份具有較高結合係數的的分子將不會通過整個柱體30，原因是這些分子接附於該分子萃取材料34的(多個)表面。這些分子萃取材料34的範例包含交聯聚合物球粒、二氧化矽球粒、玻璃球粒、氧化鋁球粒、聚苯乙烯球粒、功能化球粒或是其組合。該等交聯聚合物球粒的一範例為交聯 右旋糖酐。據信亦可運用其他的交聯聚合物。功能化球粒可為任何前述具有配體或其他錨定物項(像是氨基、硫基、羧基、乙二醇、矽烷醇、DNA、蛋白質等等)而可藉由較高的結合係數來增強特定分子鏈結之球粒(即如二氧化矽、氧化鋁、聚苯乙烯等等)。
所用的分子萃取材料34量值將是依照由該外殼32所定義之空間35的尺寸而定。在一些範例裡，該外殼32內的萃取材料34可為宏觀尺度的柱體，其範圍可自約2mm長至達數十cm長。而在其他範例裡，該外殼32內的萃取材料34則可為微觀尺度的柱體。在這些範例中，可將非常微小量值的萃取材料34珠體或球粒包裝在位於晶片上微流體平台上之微流體通道(具有範圍自約10μm至900μm的寬度及/或深度，長度範圍則自約1mm至約1cm)的內部。
該等外殼邊壁33定義該外殼32的兩個相對末端E1、E2。該多孔性薄膜36係經接附於這些末端E1、E2的其中一者(即如圖3A及3B所示的末端E2)。當該柱體30是在相對於該凹井14、14’的運作位置時，該多孔性薄膜36是位於該外殼32與該基板或材料表面S12、S16之間，並且位於該凹井14、14’與該分子萃取材料34之間。該多孔性薄膜36可將該分子萃取材料34維持在該外殼32之內，同時可讓通過該外殼32且通過該分子萃取材料34的分子能夠游移到該凹井14、14’。該多孔性薄膜36可為由任何能夠讓所欲分子從該柱體30遷移到該凹井14、14’的多孔性材料所構成。該多孔性薄膜36的範例包含有機材料(即如再生纖維素、纖維素酯、樹脂等等)或是具有等於或小於100μm厚度的無機材料(即如燒結玻璃、陶瓷等等)。
即如圖3A及3B所述，該固體萃取柱體30係經設置故而該分子萃取材料34疊覆於該凹井14、14’。在這些範例中，該固體萃取柱體30覆蓋對該凹井14、14’的整個開口以及該基板12或材料16中環繞著該凹井14、14’之至少一部份的表面S12或S16。當希望將樣本引入至該凹井14、14’內時，可將該固體萃取柱體30放置在該凹井14、14’的上方定位，或是可將該者可卸除地結合於該基板12或材料16中鄰近該凹井14、14’的區域處。當為可卸除地結合時，可在該基板12或材料16與該多孔性薄膜36之間的運用適當的黏著劑。該所選定黏著劑係可在既已引入樣本之後並在執行感測技術之前能夠自該基板12或材料16卸除該固體萃取柱體30者。
當運用該固體萃取柱體30時，可經由位在末端E1處對該空間35的開口將樣本引入至該柱體30內。樣本引入作業可為透過傾倒、管汲、散佈或一些其他適當技術所完成。樣本內的分子將會經過該分子萃取材料34並穿透該多孔性薄膜36而進入該凹井14、14’內，或者是將會接附於該分子萃取材料34的表面(且因此不會進入該凹井14、14’)。
現參照圖4，其中說明另一分子感測裝置10'''範例。此裝置10'''包含一凹井14、14’陣列，該等凹井各者係關聯於一個別分子選擇裝置26。在圖4中，該等個別分子選擇裝置26為薄膜28及28’。此圖中雖描繪兩個薄膜28及28’，然應暸解該陣列內的該等分子選擇裝置26各者可為固體萃取柱體30，或是陣列內的有些分子選擇裝置26可為薄膜28而該相同陣列內的其他分子選擇裝置26則為固體萃取柱體30。
在本範例中，該等薄膜28、28’分別地接附於該基板12的個別區域，因此可自該基板12分別地卸除該等薄膜28、28’。在一範例裡， 可同時地利用其一薄膜28、28’與相對應的凹井14。在此範例中，可令過濾該樣本而通過該等薄膜28之其一者並進入相對應的凹井14，而同時另一薄膜28’及相對應凹井14則維持未用。在另一範例裡，可同時地運用該等薄膜28、28’之各者與相對應凹井14，因此，可將分子引入至各個凹井14內，並同時地利用該等凹井14各者以執行感測技術。單一薄膜28亦可涵蓋兩者凹井14。
圖4的裝置10'''類似於圖1A及1B所示的裝置10，這至少部份地是由於該等凹井14構成在該基板12內。然而，可藉由令該等凹井14構成在出現於該基板12上的材料16內以令該裝置10'''類似於圖2所示的裝置10’。
在圖4所示的範例裝置10'''裡，兩個凹井14內的信號放大結構18為互異。該等凹井14之一者(位於該圖的左側處)含有四個指形信號放大結構18，並且該等凹井14之另一者(位於該圖的右側處)含有三個角錐形信號放大結構18。應暸解可利用單一模具以製作此等凹井14及結構18。
現參照圖5，圖中描繪一分子感測系統100的範例。該系統100含有該裝置10、10’、10”或10'''的範例。即如所示，該裝置10’所示為一樣本的分子(標註為A)既經該分子選擇裝置26所過濾並進入該凹井14、14’之後，而且是在既已卸除該分子選擇裝置26之後。在此範例中，該等信號放大結構18為SERS信號放大結構，該等各者含有立柱或指形基底22，以及經沉積在該基板22尖端/上方處的Raman信號增強材料20。
圖5中所示的系統100為SERS系統，此者含有Raman光譜計或讀取器。該Raman讀取器含有雷射來源38及光偵測器40。
該雷射來源38可為具有狹窄光譜線寬的光源，並經選定以發射位於可見光範圍內或在近紅外光範圍內的單色調光束L。該雷射來源38可為由穩態雷射或脈衝雷射所選定。該雷射來源38係經設置以將光線L投射在該分子感測裝置10’上。可利用一透鏡(未予圖示)及/或其他的光學設備(即如光學顯微鏡)以依所欲方式導引(即如彎折)該雷射光線L。在一範例裡，該雷射來源38係經整合於一晶片上。該雷射來源38亦可為運作連接至電源供應器(未予圖示)。
在該系統100的操作過程中，將樣本引入至該分子選擇裝置26內，並依一所欲時間量由該分子選擇裝置26加以過濾。該曝出時間的範圍可任為自1秒至10分鐘。有些曝出時間可依照所使用樣本、所使用裝置26等等而為較長或較短。在分子A出現在該凹井14、14’內之後，即可卸除該分子選擇裝置26。應暸解可在引入分子A之前先去除任何出現在該凹井14、14’內的惰性流體24，或者當引入分子A時令其駐留在該凹井14、14’內。為去除該惰性流體24，可藉由將該惰性流體24倒出該(等)凹井14、14’(即如在將該分子選擇裝置26放置於其上之前)；藉由將該流體24管汲或吸離於該(等)凹井14、14’(即如在將該分子選擇裝置26放置於其上之前)；藉由氣流通過該(等)凹井14、14’；藉由從該(等)凹井14、14’汽化該流體24，或是任何其他的適當技術，所達成。
經該分子選擇裝置26所過濾的分子A可因重力、微細管及/或化學力度之故而留駐於該等SERS信號放大結構18的表面上。
然後該雷射來源38可運作以朝向該等信號放大結構18發射光線L。當使用陣列時，應暸解可同時地曝出整個凹井14、14’陣列(以及 其內的結構18)，或是可在特定時間處曝出一或更多的凹井14、14’陣列(以及其內的結構18)。故而能夠執行同時感測或平行感測。匯聚在該分子感測裝置10’之SERS信號放大結構18處或附近的分析物分子A可與光線/電磁輻射L進行相互作用且散射(注意所散射的光線/電磁輻射係經標註為R)。該等分子A與該等SERS信號放大結構18之SERS信號增強材料20間的相互作用會使得Raman散射輻射R的強度提高。該Raman散射輻射R被重新導引朝向該光偵測器40，此者可光學濾除任何反射成份及/或Rayleigh成份，然後針對靠近該入射波長的各個波長偵測該Raman散射輻射R的強度。
一處理器46可運作連接至該雷射來源38及該光偵測器40兩者以供控制這兩者元件38、40。該處理器46亦可接收來自該光偵測器40的讀數以產生Raman光譜讀取值，然後運用其等的尖峰和低谷來對該等分析物分子A進行分析。雖未予圖示，然該Raman讀取器亦可含有前述的電源供應器(即如電池、插頭等等)以及資料I/O(輸入及輸出)顯示器。
該系統100亦可含有一經設置在該分子感測裝置10’與該光偵測器40之間的光線過濾構件42。可利用該光線過濾構件42以光學濾除任何Rayleigh成份，以及/或者任何不是所欲範圍內的Raman散射輻射R。該系統100亦可含有一經設置在該分子感測裝置10’與該光偵測器40之間的光線發散構件44。該光線發散構件44可令Raman散射輻射R在不同角度處發散。該等構件42及44可為相同裝置(該Raman讀取器)的一部份，或者可為個別裝置。
為進一步說明本揭示，本文中提供多項範例。應暸解這些範例乃屬示範性目的所提供，而不應詮釋為限制本揭示的範疇。
範例1
該分子感測裝置的範例係按測試條之形式所製作，其中含有由再生纖維素所製成的分子大小選擇薄膜以作為該分子選擇裝置。在該等測試條之凹井內的SERS結構為具有金質奈米指形結構的五組體。該等測試條係經沾浸於含有不同三聚氰胺濃度的乳奶樣本內。乳奶樣本1(圖6中標註為62)加有100ppm三聚氰胺，乳奶樣本2(圖6中標註為63)加有10ppm三聚氰胺，乳奶樣本3(圖6中標註為64)加有1ppm三聚氰胺，並且乳奶樣本4(圖6中標註為65)則未加有任何三聚氰胺。將個別試條放留於個別樣本內約10分鐘，藉此讓較小分子(即如三聚氰胺)能夠擴散通過該薄膜而進入到該分子感測裝置的凹井內。在此時段之後，自個別樣本中移除這些試條並同時卸除該等薄膜。然後執行該等凹井內之分子的表面增強Raman光譜。
對於比較性樣本，亦可對不含該分子選擇裝置的分子感測裝置進行測試。在這些比較性樣本中，可將水(圖6中標註為60)及原始乳奶(圖6中標註為61，其中含有100ppm三聚氰胺)個別地引入至該凹井並且執行表面增強Raman光譜。
該等比較性水樣本(60)、比較性原始乳奶樣本(61)以及經過濾乳奶樣本(62-65)的SERS光譜可如圖6中所示。三聚氰胺尖峰是位於約710cm-1處。即如所示，出現在該比較性原始乳奶樣本(61)內的其他成份會遮蔽該分子感測裝置之凹井內的SERS放大結構，而並未偵測到三聚氰胺。然除了含有0ppm三聚氰胺的樣本(65)以外，在該等利用含有分子大小選擇薄膜的測試條所過濾的各個樣本(62-64)裡確偵測到三聚氰胺信號。由於圖6中所使用比例刻度之故，因此10ppm樣本(63)及1ppm樣本(64)的信號強度並 不顯明。三聚氰胺尖峰的SERS強度是隨著乳奶中加入三聚氰胺的濃度增加而提高。利用本範例之分子大小選擇薄膜的三聚氰胺偵測限制在乳奶樣本中為1ppm。
範例2
該分子感測裝置的範例是按含有固體萃取柱體以作為分子選擇裝置的測試條形式所製作。該等測試條之凹井內的SERS結構為具有金質奈米指形結構的五組體。該固體萃取柱體是以凝膠過濾色譜術為基礎。更特定而言，該柱體含有聚乙烯外殼，而包裝以具有為過濾三聚氰胺之所欲孔隙大小的交聯右旋糖酐式材料。
將含有不同三聚氰胺濃度的嬰兒配方樣本引入至該等柱體內。嬰兒配方樣本1(圖7中標註為72)加有1ppm三聚氰胺，嬰兒配方樣本2(圖7中標註為73)加有0.5ppm三聚氰胺，嬰兒配方樣本3(圖7中標註為74)加有0.1ppm三聚氰胺，並且嬰兒配方樣本4(圖7中標註為75)則未加有任何三聚氰胺。該等在其內具有個別樣本的柱體會在個別凹井的上方保持定位約1分鐘，藉以讓較小分子(即如三聚氰胺)能夠通過該等柱體進入該分子感測裝置的凹井內。在此時段之後即移除該等柱體。然後執行這些凹井內之分子的表面增強Raman光譜。
亦可利用範例1的分子感測裝置來測試1ppm三聚氰胺的嬰兒配方樣本。此樣本在圖7中經標註為71。
對於比較性樣本，亦可對不含該分子選擇裝置的分子感測裝置進行測試。在這些比較性樣本中，可將水個別地引入至該凹井並且執行表面增強Raman光譜。此比較性樣本在圖7中經標註為70。
該等比較性水樣本(70)、經薄膜過濾嬰兒配方樣本(71)以及經柱體過濾嬰兒配方樣本(72-75)的SERS光譜可如圖7中所示。三聚氰胺尖峰是位於約710cm-1處。即如所示，出現在該經薄膜過濾之嬰兒配方(71)內的其他成份會在辨識三聚氰胺SERS信號上造成一些困難。不過，除了含有0ppm三聚氰胺的樣本(75)以外，在該等利用含有分子萃取柱體的測試條所過濾的各個樣本(72-74)裡確偵測到三聚氰胺信號。三聚氰胺尖峰的SERS強度是隨著嬰兒配方中加入三聚氰胺的濃度增加而提高。利用本柱體的三聚氰胺偵測限制在該配方樣本中為0.1ppm。
應暸解本揭示所提供的範圍包含所述範圍，以及該所述範圍內的任何數值或子範圍。例如，自約0.1nm至約100nm的範圍應解譯為不僅包含約0.1nm至約100nm的顯明引述限制值，而亦應包含像是0.2nm、0.7nm、15nm等等的個別數值，以及像是自約0.5nm至約50nm、自約20nm至約40nm等等的子範圍。此外，當運用「約」詞彙來描述一數值時，這表示涵蓋該所述數值的輕微變異度(可達±10%)。
當說明及主張本揭範例時，除其前後文另予顯明表述之外，單數形式「一」及「該」確包含複數個參照項目。
前文中雖既已詳細說明多個範例，然熟諳本項技藝之人士應能顯見確可對所揭示範例加以修改。故而應將前揭說明視為非限制性質。
10”‧‧‧分子感測裝置
12‧‧‧基板
14‧‧‧凹井
18‧‧‧信號放大結構
26‧‧‧分子選擇裝置
30‧‧‧固體萃取柱體
32‧‧‧外殼
33‧‧‧邊壁
34‧‧‧分子萃取材料
35‧‧‧空間
36‧‧‧多孔性薄膜
S12‧‧‧表面
BS12‧‧‧背部表面

Claims (15)

  1. 一種分子感測裝置，其包含：一基板；一凹井，此者係經i)構成於設置在該基板之表面上的材料內，或者ii)構成於該基板的表面內；一信號放大結構，此者係經設置在該凹井內；以及一分子選擇裝置，此者係經可卸除地設置而運作接觸於該凹井。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之分子感測裝置，其中該分子選擇裝置為一具有分子重量門檻值的薄膜。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之分子感測裝置，其中該薄膜係自纖維素薄膜以及具有厚度等於或小於100μm的多孔性無機薄膜所選定。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之分子感測裝置，其中該薄膜係可卸除地接附於該基板或該材料中鄰近於該凹井的區域處。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之分子感測裝置，其中該分子選擇裝置為一含有下列項目的固體萃取柱體：一外殼；以及一經包裝在該外殼內的分子萃取材料。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之分子感測裝置，進一步包含多孔性薄膜，此者係經連接至該外殼以將該分子萃取材料維持在該外殼內。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之分子感測裝置，其中該分子萃取材料係自下列項目所選定，即交聯聚合物球粒、二氧化矽球粒、玻璃球粒、氧化鋁球粒、聚苯乙烯球粒、功能化球粒或是其組合。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之分子感測裝置，進一步包含經併入該凹井內的惰性流體。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之分子感測裝置，其中該信號放大結構為Raman光譜增強結構。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之分子感測裝置，其中該裝置包含：一離散凹井陣列，此者係經i)構成於經設置在該基板之該表面上的材料內，或是ii)構成於該基板的該表面內；一個別信號放大結構，此者係位於該等離散凹井各者之內；以及一個別分子選擇裝置，此者係經可卸除地設置而運作接觸於該等離散凹井各者。
  11. 一種利用如申請專利範圍第1項所述之分子感測裝置的方法，該方法包含：當將該分子選擇裝置設置為運作接觸於該凹井時，令該分子選擇裝置曝露於一樣本，藉以將經該分子選擇裝置所過濾的成份引入至該凹井；自該基板卸除該分子選擇裝置；以及對該凹井內的成份執行感測技術。
  12. 一種表面增強Raman光譜(SERS)感測系統，其包含：一如申請專利範圍第1項所述之分子感測裝置；一樣本，此者含有待經由該分子選擇裝置所過濾並予引入至該分子感測裝置之該凹井內的成份；以及一Raman讀取器，此者係相對於該分子感測裝置的該凹井而運作設置。
  13. 一種用以製作分子感測裝置的方法，該方法包含： 構成一凹井，此者係i)位於經設置在一基板之表面上的材料內，或者ii)位於該基板的該表面內；在該凹井內構成一信號放大結構；以及可卸除地設置一分子選擇裝置而運作接觸於該凹井。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中可卸除地設置該分子選擇裝置包含將一具有分子重量門檻值的薄膜可卸除地結合於該基板，以便該薄膜覆蓋該凹井。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中可卸除地設置該分子選擇裝置包含將一固體萃取柱體放置於該基板上，以便經包裝在該固體萃取柱體之外殼內的分子萃取材料係與該凹井隔離且設置在該凹井之上。
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