以奈米银粒子阵列放大细菌表面分子的振动光谱.PDFVIP

週報　第1326期 知識天地 以奈米銀粒子陣列放大細菌表面分子的振動光譜 王懷賢博士生 、王玉麟研究員( 原子與分子科學研究所) 摘要 拉曼散射自1928 年被諾貝爾獎得主錢德拉塞卡拉•拉曼(Chandrasekhara V. Raman) 博士發現後 ，己經被廣 泛地利用來測量各種分子與物質的振動光譜 ，並藉此來研究分子的結構與物質的組成 。但是它有一個很大的限 制就是拉曼光譜訊號非常小 ，所以要取得一個樣品的拉曼光譜常常曠日廢時 。 利用緊密且有序排列的奈米金屬銀粒子陣列來大幅地增強吸附在其表面上分子的拉曼光譜訊號 ，加上這種 奈米粒子陣列的高重現性與均勻度 ，大大的改變了拉曼光譜技術在化學與生物科技的實用性 。這種創新的工具 讓我們在發展菌種檢測上獲得了許多的成果 ，利用光學的即時反應偵測特性 ，跳脫傳統的生物培養檢測 ，使我 們面對未知的細菌能有更快速的了解 ，在治療和預防上節省寶貴的時間 。 拉曼散射(Raman scattering) 的發現 當我們撥動琴弦 ，琴就會開始發出一種具有特殊音色的聲音 。只要是聽過的樂器 ，大多數的人都能從它 的音色分辦是何種樂器 ，因為每個樂器的聲音頻譜都是由一組特定的泛音所合成 ，只要分析它的頻譜就可以聽 出是那種樂器 。用一束雷射光打在一個分子上 ，分子也會被彈出 「聲音」，所不同的是這種震盪的頻率非常高 （~ 10 12/ 秒），我們的耳朵無法偵測到 。 拉曼博士在1922 年首次證實光線會在引發分子震盪後損失一些能量 ，光線本身的震盪頻率也因此改變了 ， 例如用綠光去打分子就可能看到黃光或是其他顏色的光發射出來 。這些各種顏色的光所反應的就是該分子本身 的各種自然震盪頻率 ，就像是一把琴特有的音色 。而這種利用光散射現象來測定分子震動的光譜學 ，就稱為拉 曼散射(Raman scattering) 。更仔細的說 ，當光線被原子或分子所散射 ，大部分的光子會做彈性碰撞而分散 ， 而這些光子和入射的光子有相同的能量和波長 。有一很小部分光子產生所謂的拉曼散射 ，光子的能量與波長改 變 ，而其改變量所反應的就是分子的振動能階之改變程度 。因為不同分子有不同的分子結構其振動能階也大都 不同 ，所以拉曼光譜可以算是一種 「分子指紋」。 雖然拉曼光譜在分子鑑定上很有用 ，但是它有個很大的缺點 ：訊號太微弱 。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 ，也因強度太弱 ，容易被環境螢光背景給遮蔽 ，且為了 得到夠強的拉曼訊號 ，常常需要長時間的偵測 ，在測量低濃度物質及生物體微量分子上的應用很有限 ，所以需 要可以增強拉曼散射的技術 。 表面增強拉曼光譜(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS) 1974 年M. Fleischmann 與其合作者發現將分子放在粗糙的銀電極表面 ，可得到增強數百萬倍的拉曼光譜 訊號 ，也自此開啟了表面增強拉曼散射光譜的首頁 。後來的研究發現貴重金屬 （如金 、銀）所製成的奈米粒子 也可以增強拉曼訊號 ，尤其是當一對奈米粒互相靠近到 10 奈米以內時所產生表面電漿共振 （surface plasmon resonance ）使得在其中的致分子感受到極大地局部電磁場 ，因此拉曼散射的機會也隨之增強 。 傳統上使用增強式拉曼光譜技術是將樣品放在粗糙的金屬表面或是將其和奈米金屬粒子混在一起測拉曼光 譜 。然而這兩種方式都有其缺點: 拉曼增強效力的強度和均勻性重複性難以兼得 。特殊的表面製作技術很難產 生夠小的奈米結構 ，拉曼增強效力不佳 。膠態奈米金屬粒子可以因為本身互相的吸附靠的很接近 ，卻是一個不 均勻的結構 。以應用增強式拉曼光譜技術的角度來看 ，一個既有高強度拉曼增強效力(SERS-active) 又均勻的基 板材料 ，才是真正可行的方案 。於是我們想到了一個自然界很特殊的材料 ：孔洞氧化鋁(porous anodic aluminum oxide, AAO) 。將一鋁片在特定的電解液下 ，通入直流電氧化 ，其氧化物會形成一個一個自我組裝(self-assembly) 的最密堆積奈米孔洞 。這些孔洞的孔洞大小和間距和所加的電壓有關 ，藉由控制電壓和使用可以腐蝕氧化鋁的 酸 ，我們可以任意的控制孔洞間牆壁的厚度 ，再以此AAO 材料做為模具 ，將有拉曼