表面增强拉曼散射Surface-EnhancedRamanScatteringSERS.PDF

2.3 表面增強拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering , SERS) 在生物/ 生化與生活科學中，雷射分光鏡法扮演越來越重要的角 色。光譜學的應用包括生物 / 生化的基本研究與疾病診斷和治療控制 的新方法之發展。鑑定和結構描述，包含監控分子的結構改變，扮演 生物與生化光譜之中心角色。所以，振動光譜的技巧,如:拉曼光譜， 提供了高結構的資訊特別地引起人們的興趣。 但是拉曼光譜在任何的應用上有一個很大的缺點就是在拉曼過程 中極小的 cross section ，比螢光的cross section 小12-14數量級之強度。 在 1970 年，一個非預期的發現，吡啶在粗糙的銀電極表面上得到 很高的拉曼訊號 [42] 。特別是在許多不同實驗室的証實，訊號的增強來 自拉曼散射本身而非更多地散射分子 [2.40,2.41] 。而近幾年來，增強的訊 號已證實可應用在許多不同的分子上 [2.42] ，只要是分子吸附在各種不 同的 ” 粗糙” 金屬表面上，而這種效應稱為” 表面增強拉曼散射 [50,51] （SERS ）” ，這種發明克服了傳統拉曼低靈敏度的問題 。最早的 3 5 報告，表面增強拉曼散射可達到適度的 10 ~10 之增強級數。不久， 許多作者聲稱染色分子在表面增強共振拉曼散射實驗上可達到 1010 11 [48-50] ~10 數量級之訊號 。 經過 20 年的研究發現，新方法發現表面增強拉曼散射的 cross 21 -16 2 14 [51] section 效應可達到 10 ㎝ /molecular 相當於 10 級之增強效應 。 這種結果與雷射染料分子在螢光的量測，達到相同的 cross section強 度，使得表面增強拉曼散射變成量測單分子之工具[52-55] 。 另一種有趣的表面增強拉曼散射貢獻為其空間解析度。探索特別的 金屬奈米顆粒其區域之光場，表面增強拉曼散射可以提供橫向解析度 大於10nm [52-55] ，其比繞射強度之極限小2個等級甚至於其解析度亦 小於近場顯微鏡之探針。 由於表面增強拉曼散射其高結構的選擇性與有機會量測到極微量 的體積，使得許多生物學家仍追尋其分析能力，特別是藥學實驗室以 表面增強拉曼散射為實驗工具與基本的生物學研究；表面增強拉曼散 射均能提供新的概念與螢光光譜為互補 ，特別是廣泛的應用於單一分 子的偵測上。另一個值得人們探討為表面增強拉曼散射能應用於快速 DNA 序列判斷，利用表面增強拉曼散射之結構辨識能力來判讀DNA 的片段的鹼基 (base)組成，而不須螢光或放射線的標示[58] 。表面增強 拉曼共振散射亦提供大生物分子的偵測機會，一些需要共振探測的發 色圖系統如葉綠素、胡蘿蔔素 [59-62] 。 另一個表面增強拉曼散射可使用的領域，為其在生物領域之應用， 其可提供吸附在表面之分子的分子結構訊息和分子在界面活動之過 程，例如： ’ 表面增強拉曼散射-活化 ’金或銀電極可應用於現代環境 22 學習生物學相關的過程，如細胞色素C的電荷轉移過程 [63,64] 。 23 2.3.1 表面增強拉曼散射之簡介 表面增強拉曼散射，為一種利用現代雷射光譜來激發奈米金屬顆粒 的分光鏡技術，結果當欲偵測的分子繫附在奈米尺寸的金和銀顆粒會 得到增強的拉曼訊號。這種效果使得拉曼光譜達到超級限的靈敏度， 可用來偵測單分子的結構訊息。而且，表面增強拉曼散射為一種