生醫及微納米結構物質感測晶片及其製備方法

2023-05-07 15:41:01 2

專利名稱：生醫及微納米結構物質感測晶片及其製備方法
技術領域：
本發明是關於一種生醫及微納米結構物質感測晶片及其製備方法，尤其指一種包括複數納米金屬顆粒以及一陽極氧化鋁薄膜的感測晶片及其製備方法。
背景技術：
生醫及微納米結構物質感測晶片可用於藥物研發、疾病與生理機能檢測、DNA定序、生物組織處理、微納米結構物質等應用，對於生醫及微納米結構物質感測晶片的要求，較佳地是具有可呈現高靈敏度、所需檢體量極少、可同時進行多樣檢測、反應時間迅速、集成化與檢測成本降低等特點。生醫及微納米結構物質感測晶片的研發可有助於滿足未來高齡化社會對於維護生命質量的需求與期待及新穎微納米材料的研發。而目前典型的生醫及微納米結構物質感測技術包括雷射激發突光分析(LIF, laser-inducedf Iuorescence)、表面等離子體共振(SPR, surface plasma resonator)、傳統酵素免疫分析法(ELISA,enzyme-linked immunosorbent)、及拉曼(Raman)光譜法等。其中，拉曼光譜法是利用光的散射、與電子的交互作用、以及極化等特性來達成，為一種可快速檢測的方法。拉曼光譜法還包括有表面增強拉曼散射法(SERS)、針尖增強拉曼散射法、以及偏極拉曼散射法等數種。其中，表面增強拉曼散射法(SERS)是一種非常強大的高靈敏分析技術，可以探測和分析物質表層所吸附的各類分子，其利用金屬表面的分子的拉曼散射訊號會被大幅增強的現象來達成。亦即，利用基板表面等離子體子來增加光和物質的交互作用，使拉曼訊號大幅增強。因此，使用於表面增強拉曼散射測定所用的晶片則顯得格外重要。用於表面增強拉曼散射法的測定用的晶片，基本上須於基板(如玻璃基板、矽基基板等)上形成有納米大小的金屬顆粒或是形成一具有納米結構的金屬薄膜，而基板上的金屬顆粒較佳具有均勻尺寸且排列整齊，其形成方法舉例有蒸鍍法、沉積法、塗布法等。然而，前述方法於調控微、納米金屬顆粒的尺寸、形狀、排列等效率較差，且所得到的晶片因金屬顆粒暴露於惡劣環境中而變質，以致穩定性、可重複使用性亦為較難達成的困難點。因此，本領域亟需開發出一種具新穎結構的感測晶片及其製備方法，使可達成金屬顆粒的尺寸均勻、形狀完整、排列整齊、不受環境及待測物影響而變質，以達穩定性佳、並可重複使用等特點，以使表面增強拉曼散射法應用於生醫及微納米結構物質感測的技術更進步。

發明內容
本發明的目的在於提供一種生醫及微納米結構物質感測晶片及其製備方法，以改善公知技術中存在的缺陷。為實現上述目的，本發明提供的生醫及微納米結構物質感測晶片，包括複數納米金屬顆粒以及一陽極氧化鋁薄膜，其中該陽極氧化鋁薄膜為一具有納米孔洞的多孔性材料，其具有一第一表面以及相對該第一表面的一第二表面，且該陽極氧化鋁薄膜具有複數孔洞，該孔洞為長條管狀，且該孔洞具有一第一端以及一 第二端，該第一端具有開口且該開口位於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面，該孔洞的第二端是封閉且該第二端位於該陽極氧化鋁薄膜的第二表面，該封閉的第二端被一阻障層覆蓋，且該些複數納米金屬顆粒是完全位於該孔洞之內；其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度為Inm至300nm ;並且當一待測物與該感測晶片的第二端的阻障層接觸時，是由拉曼光譜法測定一拉曼散射訊號。所述的感測晶片，其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度為Inm至 60nm。所述的感測晶片，其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度為Inm至 10nm。所述的感測晶片，其中，該阻障層的材質為二氧化矽、氧化鋅、氧化鋁、或表面附氫原子或氟原子的石墨烯。所述的感測晶片，其中，該待測物是與該感測晶片的陽極氧化鋁薄膜的第二表面接觸。所述的感測晶片，其中，包括一功能性薄膜或附著物，覆於該第二表面，使該待測物與該功能性薄膜或附著物接觸。所述的感測晶片，其中，該拉曼光譜法為表面增強拉曼散射法(SERS)。所述的感測晶片，其中，該孔洞的開口直徑為IOnm至400nm。所述的感測晶片，其中，該納米金屬顆粒的粒徑為IOnm至400nm。所述的感測晶片，其中，該納米金屬顆粒的材質是選自由銀、金、銅、鎳、鉻、鎢、白金、鋁及其合金所組成的群組。所述的感測晶片，其中，該納米金屬顆粒為實心或空心，且該納米金屬顆粒的形狀為柱狀、類球狀、橢圓狀或不規則形狀。所述的感測晶片，其中，包括一保護層，配置於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面。本發明提供的感測晶片的製備方法，包括步驟(A)提供一鋁金屬片；(B)將該鋁金屬片進行陽極處理(anodizing)，使該鋁金屬片表面形成一陽極氧化鋁薄膜，此薄膜為一具有納米孔洞的多孔性材料，其具有一第一表面以及相對該第一表面的一第二表面，且該陽極氧化鋁薄膜具有複數孔洞，該孔洞為長條管狀，且該孔洞一第一端以及一第二端，該第一端具有開口且該開口位於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面，該孔洞的第二端是封閉且該第二端位於該陽極氧化鋁薄膜的第二表面，該封閉的第二端被一氧化鋁層覆蓋；(C)在該陽極氧化鋁薄膜的孔洞中成長納米金屬顆粒，並使該納米金屬顆粒完全位於該孔洞中；(D)移除該鋁金屬片；以及(E)減薄覆蓋於該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層，使覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層的厚度為Inm至300nm，以形成該感測晶片。所述的感測晶片的製備方法，其中，該步驟(E)是經由使用一酸溶液腐蝕該氧化鋁層、或以一物理性方法減薄該氧化鋁層而達成。
所述的感測晶片的製備方法，其中，當一待測物與該感測晶片的第二端的氧化鋁層接觸時，由拉曼光譜法測定一拉曼散射訊號。所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(C)中的該納米金屬顆粒是由電鍍沉積(electrodeposition)方法所形成。所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(B)之後包括一步驟(BI):將該陽極氧化鋁薄膜放入一侵蝕溶液中，以增加孔洞的開口直徑。所述的感測晶片的製備方法，其中，該步驟⑶中，該孔洞的開口直徑為IOnm至400nm。所述的感測晶片的製備方法，其中，該納米金屬顆粒的材質是選自由銀、金、銅、 鎳、鉻、鎢、白金、鋁及其合金所組成的群組。所述的感測晶片的製備方法，其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層的厚度為Inm至60nm。所述的感測晶片的製備方法，其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層的厚度為Inm至10nm。所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(E)之後包括一步驟(F):於該陽極氧化鋁薄膜的該第一表面形成一保護層。本發明還提供一種感測晶片的製備方法，包括步驟(A)提供一鋁金屬片；(B)將該鋁金屬片進行陽極處理(anodizing)，使該鋁金屬片表面形成一陽極氧化鋁薄膜，此薄膜為一具有納米孔洞的多孔性材料，其具有一第一表面以及相對該第一表面的一第二表面，且該陽極氧化鋁薄膜具有複數孔洞，該孔洞為長條管狀，且該孔洞一第一端以及一第二端，該第一端具有開口且該開口位於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面，該孔洞的第二端為封閉且該第二端位於該陽極氧化鋁薄膜的第二表面，該封閉的第二端被一氧化鋁層覆蓋；(C)在該陽極氧化鋁薄膜的孔洞中成長納米金屬顆粒，並使該納米金屬顆粒完全位於該孔洞中；(D)移除該鋁金屬片；(E)移除覆蓋於該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層，使顯露該些納米金屬顆粒；以及(F)形成一阻障層，使該阻障層覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端及該些納米金屬顆粒，該阻障層厚度為Inm至60nm，以形成該感測晶片。所述的感測晶片的製備方法，其中，該步驟(E)是經由使用一酸溶液腐蝕該氧化鋁層、或以一物理性方法減薄該氧化鋁層而達成。所述的感測晶片的製備方法，其中，該步驟(F)的該阻障層是經由離子束濺鍍法、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法或原子層沉積法形成。所述的感測晶片的製備方法，其中，當一待測物與該感測晶片的阻障層接觸時，是
由拉曼光譜法測定一拉曼散射訊號。所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(C)中的該納米金屬顆粒是由電鍍沉積(electrodeposition)方法所形成。
所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(B)之後包括一步驟(BI):將該陽極氧化鋁薄膜放入一侵蝕溶液中，以增加孔洞的開口直徑。所述的感測晶片的製備方法，其中，該步驟⑶中，該孔洞的開口直徑為IOnm至400nmo所述的感測晶片的製備方法，其中，該納米金屬顆粒的材質是選自由銀、金、銅、鎳、鉻、鎢、白金、鋁及其合金所組成的群組。所述的感測晶片的製備方法，其中，該阻障層的材質為氧化鋁、二氧化矽、氧化鋅、或表面附氫原子或氟原子的石墨烯。所述的感測晶片的製備方法，其中，該阻障層的厚度為Inm至10nm。所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(F)之後包括一步驟(G):於該陽極氧化鋁薄膜的該第一表面形成一保護層。本發明的感測晶片，其優點在於，氧化鋁薄膜的第二表面被阻障層覆蓋，此覆蓋的阻障層可使照射金屬納米顆粒的光通過不受影響，而因照光而產生於金屬納米顆粒的等離子體子及相鄰金屬納米顆粒之間的增強電磁場亦不受氧化鋁介電質的阻隔，仍可以有效地激發阻障層上附著的待測物以產生增強的拉曼信號。本發明的感測晶片的阻障層可改善許多缺點，分述如後(I)由於覆蓋阻障層的保護，金屬納米顆粒並不與外界或待測物接觸，所以不易氧化變質。因此容易得到穩定的偵測訊號。(2)由於金屬納米顆粒不直接與待測物接觸，所以也不會使待測物變質。(3)由於感測晶片的拉曼訊號增強效能是來自金屬顆粒，而非覆蓋層；所以只要金屬顆粒不被破壞，即使阻障層有少許損傷或變質，並不影響感測晶片的偵測效能。又由於，只有阻障層(或覆蓋於阻障層上的其它層)與外界或待測物接觸，所以只有阻障層(或覆蓋於阻障層上的其它層)須要清洗，而金屬顆粒不用，所以不會有金屬納米顆粒易變質的問題。


圖IA至圖IE是本發明實施例I的感測晶片的製備流程圖。圖IF是本發明實施例2的感測晶片減薄的示意圖。圖IG是本發明實施例3的感測晶片形成保護層的示意圖。圖2是本發明實施例I的感測晶片的示意圖。圖3A及3B是本發明實施例I的感測晶片的示意圖。圖4A至圖4G是本發明實施例4的感測晶片的製備流程圖。圖4E』至圖4F』是本發明實施例4的感測晶片的製備流程圖。圖5是本發明測試例的拉曼光譜偵測系統。圖6是本發明測試例I的表面增強拉曼散射訊號測試結果圖。圖7是本發明測試例2的表面增強拉曼散射訊號測試結果圖。附圖中主要組件符號說明I感測心片；11鋁金屬片；
12陽極氧化鋁薄膜；121第一表面；122第二表面；123孔洞；124第一端；125第二端；126開口 ； 127氧化鋁層；13納米金屬顆粒；15保護層；17阻障層；3 光；5拉曼光譜偵測系統；51雷射光源；52光學反射鏡；55拉曼訊號偵測儀；56凹口濾波器；57顯微透鏡；58載臺；59感測晶片；L 厚度。
具體實施例方式本發明提供一種生醫及微納米結構物質感測晶片，包括複數納米金屬顆粒以及一陽極氧化鋁薄膜，其中該陽極氧化鋁薄膜為一具有納米孔洞的多孔性材料，其具有一第一表面以及相對該第一表面的一第二表面，且該陽極氧化鋁薄膜具有複數孔洞，該孔洞為長條管狀，且該孔洞具有一第一端以及一第二端，該第一端系具有開口且該開口位於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面，該孔洞的第二端為封閉且該第二端位於該陽極氧化鋁薄膜的第二表面，該封閉的第二端被一透明且具高電阻值的阻障層(barrier layer)覆蓋，且該些複數納米金屬顆粒是完全位於該孔洞之內；其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度為Inm至300nm ;並且當一(例如生醫分子)待測物與該感測晶片第二端的阻障層接觸時，是由拉曼光譜法測定一拉曼散射訊號。本發明的生醫及微納米結構物質感測晶片，其覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度為Inm至300nm，因此，當使用本發明的感測晶片測定拉曼散射訊號時，第二表面的阻障層為透明，故可使照射金屬納米顆粒的光通過不受影響，而因照光而產生於金屬納米顆粒的等離子體子及相鄰金屬納米顆粒之間的增強電磁場亦不受具高電阻值阻障層的阻隔。因此，本發明的感測晶片可得到表面增強拉曼散射訊號，同時覆蓋陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層更使待測物不會直接與納米金屬顆粒接觸。倘若使納米金屬顆粒與待測物直接接觸，將會有以下的缺點(I)納米金屬顆粒容易產生變質，例如氧化或硫化。此種變質會改變表面增強拉曼散射法的偵測效能，因而造成偵測訊號的不穩定(也就是，偵測到的訊號時大時小)；且若變質過度劇烈，甚至可使表面增強拉曼散射法的效力喪失。(2)納米顆粒可能與待測物產生物理或化學反應使得待測物變質。例如，目前已知銀納米顆粒有殺菌的作用，因此若待測物為細菌，則會有偵測上的困難。(3)清洗保存不易，這是由於當晶片用於偵測某一待測物後，可能會有待測物殘留的情形。因此，當使用此晶片偵測新的待測物時須先做物理或化學的清洗；然而由於金屬顆粒直接暴露於外，因此清洗過程中容易使金屬顆粒損傷或變質，並因此改變晶片的偵測效力。故較不容易回收重複利用。(4)保存不易。若長時間未使用晶片並將其暴露於空氣中，也可能使晶片受到汙染。本發明的感測晶片，其優點在於，氧化鋁薄膜的第二表面被阻障層覆蓋，此覆蓋的阻障層可使照射金屬納米顆粒的光通過不受影響，而因照光而產生於金屬納米顆粒的等離子體子及相鄰金屬納米顆粒之間的增強電磁場亦不受氧化鋁介電質的阻隔，仍可以有效地激發阻障層上附著的待測物以產生增強的拉曼信號。本發明的感測晶片的阻障層可改善許多缺點，分述如後(I)由於覆蓋阻障層的保護，金屬納米顆粒並不與外界或待測物接觸，所以不易氧化變質。因此容易得到穩定的偵測訊號。(2)由於金屬納米顆粒不直接與待測物接觸，所以也不會使待測物變質。 (3)由於感測晶片的拉曼訊號增強效能是來自金屬顆粒，而非覆蓋層；所以只要金屬顆粒不被破壞，即使阻障層有少許損傷或變質，並不影響感測晶片的偵測效能。又由於，只有阻障層(或覆蓋於阻障層上的其它層)與外界或待測物接觸，所以只有阻障層(或覆蓋於阻障層上的其它層)須要清洗，而金屬顆粒不用，所以不會有金屬納米顆粒易變質的問題。本發明的感測晶片，其中，該阻障層的材質較佳地是透明且具高電阻值的介電質材料，例如二氧化矽、氧化鋅、氧化鋁、或表面附氫原子或氟原子的石墨烯；更佳地是與所用具有納米孔洞的多孔性材料一致，例如使用氧化鋁阻障層(可以由製程參數調控厚度)覆蓋於陽極氧化鋁薄膜的第二表面。本發明的感測晶片，其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度較佳可為Inm至300nm,更佳可為Inm至60nm,再更佳為Inm至IOnm,最佳為2nm至4nm。本發明的感測晶片，較佳地還包括一功能性薄膜或附著物，覆於該第二表面(即，覆蓋或部份覆蓋於阻障層上)，使該待測物與該功能性薄膜接觸，以增加欲檢測的待測物於感測晶片的附著性，而增強檢測信號的強度，例如覆蓋或部份覆蓋於阻障層上的某特定細菌的抗體(Antibody)可增強該細菌於感測晶片的附著性且減少其它生醫分子及不同細菌的附著，故可提升可用感測信號的強度。此外，亦可以達成有選擇性地加強特定待測物的附著性，並排除其它雜質的附著，以達到對該待測物的更佳的偵測信號與噪聲比。本發明的感測晶片，較佳地可還包括一保護層(例如，氧化矽層)，系覆蓋於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面。此保護層可將孔洞內的納米金屬顆粒密封於其中，使納米金屬顆粒不會因為與外界空氣、溼氣接觸而氧化變質，由此提高感測晶片的保存穩定性。本發明的感測晶片，其中覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度較佳為Inm至300nm,更佳為Inm至60nm,再更佳為Inm至IOnm,最佳為2nm至4nm。本發明的感測晶片，其中，該拉曼光譜法較佳地為表面增強拉曼散射法(SERS)。本發明的感測晶片，其中，該孔洞的開口直徑較佳為IOnm至400nm,更佳地為25nm至 400nm。本發明的感測晶片，其中，該納米金屬顆粒平行於晶片陽極氧化鋁薄膜的第二表面的方面的粒徑較佳地為IOnm至400nm,更佳地為25nm至400nm。本發明的感測晶片，其中，該納米金屬顆粒可為實心、或空心，且該納米金屬顆粒的形狀可為柱狀、類球狀、橢圓狀、或不規則形狀，而其材質較佳地是選自由銀、金、銅、鎳、鉻、鎢、白金、鋁、及其合金所組成的群組，最佳地是使用銀。本發明的感測晶片較佳可還包括一封裝保護層，配置於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面。保護層密封孔洞以防止其中納米金屬顆粒被氧化，或是防止水氣、雜質等進入。保護層的材質可為防水、防漏氣、防腐蝕、及不會與環境化學反應的封裝材料，較佳可為透明的封裝材料，例如玻璃或氧化矽。本發明又提供一種感測晶片的製備方法，包括步驟(A)提供一鋁金屬片；(B)將該鋁金屬片進行陽極處理(anodizing)，使該鋁金屬片表面形成一陽極氧化鋁薄膜，此薄膜為一具有納米孔洞的多孔性材料，其具有一第一表面以及相對該第一表面的一第二表面，且該陽極氧化鋁薄膜具有複數孔洞，該孔洞為長條管狀，且該孔洞一第一端以及一第二端，該第一端具有開口且該開口位於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面，該孔洞的第二端為封閉且該第二端位於該陽極氧化鋁薄膜的第二表面，該封閉的第二端被一氧化鋁層覆蓋；(C)在該陽極氧化鋁薄膜的孔洞中成長納米金屬顆粒，並使該納米金屬顆粒完全位於該孔洞中且附著於該孔洞的底部；(D)移除未氧化的鋁金屬片；以及(E)減薄覆蓋於該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層，使覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層的厚度為Inm至300nm(更佳地為Inm至60nm,再更佳地為Inm至IOnm,最佳地為2nm至4nm),以形成該感測晶片。本發明的方法所製得的感測晶片，其覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層的厚度為Inm至300nm,更佳地為Inm至60nm,再更佳地為Inm至IOnm,最佳地為2nm至4nm，因此，當使用時，較佳地是將待測物與陽極氧化鋁薄膜的第二表面接觸，並使光由氧化鋁層照射。也就是說，當使用本發明所製得的感測晶片測定拉曼散射訊號時，其氧化鋁層可使照射金屬納米顆粒的光通過不受影響，而因照光而產生於金屬納米顆粒的等離子體子及相鄰金屬納米顆粒之間的增強電磁場亦不受氧化鋁層的阻隔。因此，本發明的感測晶片可得到表面增強拉曼散射訊號，同時更使待測物不會直接與納米金屬顆粒接觸。本發明的感測晶片的製備方法，其中，該步驟(E)較佳地是經由使用一溶液(例如，以一如5%磷酸的酸性溶液或其它化學方法)腐蝕該氧化鋁層、以化學機械研磨法(chemical-mechanical polishing)減薄該氧化招層、或以離子束(ion beam milling 或sputtering)研磨法等物理方法研磨該氧化招層而達成減薄作用。本發明的感測晶片的製備方法，其中，當一待測物與該感測晶片接觸時，較佳地是由拉曼光譜法測定一拉曼散射訊號。本發明的感測晶片的製備方法中，步驟(C)中的該納米金屬顆粒較佳地是由電鍍沉積(electrodeposition)、或其它鍍膜製程方法所形成。本發明的感測晶片的製備方法中，步驟(E)中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化招層的厚度較佳地可為Inm至300nm,更佳可為Inm至60nm,再更佳地可為Inm至IOnm,最佳地為2nm至4nm。本發明的感測晶片的製備方法中，步驟(B)之後較佳地還包括一步驟(BI):將該陽極氧化鋁薄膜放入一侵蝕溶液中，以增加孔洞的開口直徑。其中，侵蝕溶液例如可為磷酸水溶液、或其它酸性溶液。
本發明的感測晶片的製備方法中，於步驟(E)之後，較佳地還包括一步驟(F):於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面形成一保護層。保護層可防止孔洞中納米金屬顆粒被氧化，或是防止水氣、雜質等進入。保護層的材質可為防水、防漏氣、防腐蝕、及不會與環境化學反應的封裝材料，較佳地可為透明的封裝材料，例如玻璃或氧化矽。本發明的感測晶片的製備方法中，該步驟⑶中，該孔洞的開口直徑較佳地為IOnm至400nm,更佳地為25nm至400nm。本發明的感測晶片的製備方法中，該納米金屬顆粒的材質較佳地選自由銀、金、銅、鎳、鉻、鎢、白金、鋁、及其合金所組成的群組，最佳地是使用銀。
本發明的感測晶片的製備方法中，該納米金屬顆粒可為實心、或空心，且該納米金屬顆粒的形狀可為柱狀、類球狀、橢圓狀、或不規則形狀。本發明還提供一種感測晶片的製備方法，包括步驟(A)提供一鋁金屬片；(B)將該鋁金屬片進行陽極處理(anodizing)，使該鋁金屬片表面形成一陽極氧化鋁薄膜，此薄膜為一具有納米孔洞的多孔性材料，其具有一第一表面以及相對該第一表面的一第二表面，且該陽極氧化鋁薄膜具有複數孔洞，該孔洞為長條管狀，且該孔洞一第一端以及一第二端，該第一端具有開口且該開口位於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面，該孔洞的第二端為封閉且該第二端位於該陽極氧化鋁薄膜的第二表面，該封閉的第二端被一氧化鋁層覆蓋；(C)在該陽極氧化鋁薄膜的孔洞中成長納米金屬顆粒，並使該納米金屬顆粒完全位於該孔洞中；(D)移除該鋁金屬片；(E)移除覆蓋於該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層，使顯露該些納米金屬顆粒；以及(F)形成一阻障層(barrier layer)，使該阻障層覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端及該些納米金屬顆粒，該阻障層厚度為Inm至300nm，以形成該感測晶片。本發明的方法所製得的感測晶片，其覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度為Inm至300nm,更佳地可為Inm至60nm,再更佳地可為Inm至IOnm,最佳地為2nm至4nm。因此，當使用時，較佳地是將待測物與感測晶片的阻障層接觸，並使光由阻障層照射。也就是說，當使用本發明所製得的感測晶片測定拉曼散射訊號時，其阻障層可使照射金屬納米顆粒的光通過不受影響，而因照光而產生於金屬納米顆粒的等離子體子及相鄰金屬納米顆粒之間的增強電磁場亦不受阻障層的阻隔。因此，本發明的感測晶片可得到表面增強拉曼散射訊號，同時更使待測物不會直接與納米金屬顆粒接觸。本發明的感測晶片的製備方法中，該步驟(E)是經由使用一酸溶液腐蝕該氧化鋁層、或以一物理性方法減薄該氧化鋁層而達成。本發明的感測晶片的製備方法中，該步驟(F)的該阻障層的形成方法較佳地，例如離子束濺鍍法、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、原子層沉積法、或覆蓋一預先製造的透明且具高電阻值的薄膜。本發明的感測晶片的製備方法中，當一待測物與該感測晶片的阻障層接觸時，是由拉曼光譜法測定一拉曼散射訊號。本發明的感測晶片的製備方法中，步驟(C)中的該納米金屬顆粒是由電鍍沉積(electrodeposition)方法所形成。本發明的感測晶片的製備方法中，步驟(B)之後還包括一步驟(BI):將該陽極氧化鋁薄膜放入一侵蝕溶液中，以增加孔洞的開口直徑。
本發明的感測晶片的製備方法中，該步驟⑶中，該孔洞的開口直徑較佳地為IOnm 至 400nm,更佳地為 25nm 至 400nm。本發明的感測晶片的製備方法中，該納米金屬顆粒的材質較佳地是選自由銀、金、銅、鎳、鉻、鎢、白金、鋁、及其合金所組成的群組。本發明的感測晶片的製備方法中，該阻障層的材質較佳地是透明且具高電阻值的介電質材質，例如二氧化矽、氧化鋅、氧化鋁、或表面附氫原子或氟原子的石墨烯；更佳地是與所用具有納米孔洞的多孔性材料一致，例如使用氧化鋁。本發明的感測晶片的製備方法中，該阻障層的厚度較佳為Inm至60nm，更佳地可為Inm至IOnm,最佳地為2nm至4nm。本發明的感測晶片的製備方法中，該納米金屬顆粒可為實心、或空心，且該納米金屬顆粒的形狀可為柱狀、類球狀、橢圓狀、或不規則形狀。 本發明的感測晶片的製備方法中，步驟(F)之後較佳地可還包括一步驟(G):於該陽極氧化鋁薄膜的該第一表面形成一保護層。以下結合附圖與實施例對本發明作詳細地描述。實施例I如圖IA至圖IE所示，是本實施例的感測晶片的製備流程圖。首先，如圖IA所示，㈧提供一鋁金屬片11。接著，如圖IB所示，(B)將該鋁金屬片11進行陽極處理(anodizing),使該招金屬片11表面形成一氧化招薄膜12,此薄膜12為一具有納米孔洞的多孔性材料，其具有一第一表面121以及相對該第一表面121的一第二表面122,且該陽極氧化鋁薄膜12具有複數孔洞123，該孔洞123為長條管狀，且該孔洞123具有一第一端124以及一第二端125，該第一端124具有開口 126且該開口 126位於該陽極氧化鋁薄膜12的第一表面121，該孔洞123的第二端125為封閉且該第二端125位於該陽極氧化鋁薄膜12的第二表面122，該封閉的第二端125被一氧化鋁層127覆蓋。接著，如圖IC所示，(C)使用電鍍沉積(electrodeposition)方法,使用交流電，電壓為15V,在該陽極氧化招薄膜12的孔洞123中成長銀納米金屬顆粒13，並使該銀納米金屬顆粒13完全位於該孔洞123中。之後，如圖ID所示，(D)以蝕刻方法移除該鋁金屬片11。最後，如圖IE所示，(E)使用5%的磷酸水溶液與該氧化鋁層127接觸，以減薄覆蓋於該陽極氧化鋁薄膜12的第二端125的氧化鋁層127，使覆蓋該陽極氧化鋁薄膜12的第二端125的氧化鋁層127的厚度L為例如30nm，較薄的氧化鋁層127更佳，以形成該感測晶片I。如圖IE以及圖2所示，是本實施例所製得的感測晶片I的示意圖。本實施例的感測晶片I，包括複數銀納米金屬顆粒13以及一陽極氧化鋁薄膜12，其中該陽極氧化鋁薄膜12為一具有納米孔洞的多孔性材料,其具有一第一表面121以及相對該第一表面121的一第二表面122，且該陽極氧化鋁薄膜12具有複數孔洞123，該孔洞123為長條管狀，且該孔洞123具有一第一端124以及一第二端125，該第一端124具有開口 126且該開口 126位於該陽極氧化鋁薄膜12的第一表面121，該孔洞123的第二端125為封閉且該第二端125位於該陽極氧化鋁薄膜12的第二表面122，該封閉的第二端125被一氧化鋁層127覆蓋，且該些複數銀納米金屬顆粒13完全位於該孔洞123之內且附著於該孔洞123的底部；其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜12的第二端125的氧化鋁層127的厚度L為30nm。請參閱圖3A，當使用本實施例的感測晶片I測定拉曼散射訊號時，使含有待測分子的待側物(圖未示)與氧化鋁層127接觸，並使光3照射至第二表面122的氧化鋁層127，此時光3會於不受氧化鋁層127的影響下通過氧化鋁層127而照射至金屬納米顆粒13，進一步得到表面增強拉曼散射訊號。因陽極氧化鋁的透光性良好，當第一表面覆蓋層15是用透光物質下，照射光3亦可照射至第一表面121,且拉曼散射訊號亦可由第一表面或第二表面方向收集。因此，本發明的感測晶片可於得到表面增強拉曼散射訊號的前提下，同時更使待測物不會直接與納米金屬顆粒接觸。故，本發明的感測晶片具有納米金屬顆粒不易變質、可重複使用、偵測訊號穩定、容易保存等優點，優於傳統的感測晶片。
此外，如圖3B所示，可還於第一表面121形成一透光層16 (其材料例如可為氧化矽)，使可防止灰塵掉入，以及避免金屬納米顆粒氧化。且於測定拉曼散射訊號時，可使上下二面皆可偵測訊號及照射光(即，由第一表面121以及第二表面122皆可偵測拉曼訊號及照射光)。實施例2除了步驟(E)中對於氧化鋁層127的減薄是使用物理性的方法，例如研磨進行，且研磨後氧化鋁層127的厚度L為5nm或更薄，如圖IF所示，本實施例的感測晶片的製作步驟與實施例I中所述的步驟相同。本實施例中使用物理性方法進行氧化鋁層127的減薄，可減少環境汙染(不需使用酸性化學藥劑)，不需衝洗、乾燥過程，且較為簡單。實施例3將實施例I的如圖IE所製得的感測晶片I還進行步驟(F)處理於該陽極氧化鋁薄膜12的第一表面121形成一保護層15 (其材料例如氧化矽)，如圖IG所示。保護層15可防止孔洞123中納米金屬顆粒13被氧化，或是防止水氣、雜質等進入。實施例4如圖4A至圖4E所示，是本實施例的感測晶片的製備流程圖。首先，如圖4A所示，(A)提供一鋁金屬片11。接著，如圖4B所示，(B)將該鋁金屬片11進行陽極處理(anodizing),使該招金屬片11表面形成一氧化招薄膜12,此薄膜12為一具有納米孔洞的多孔性材料，其具有一第一表面121以及相對該第一表面121的一第二表面122,且該陽極氧化鋁薄膜12具有複數孔洞123，該孔洞123為長條管狀，且該孔洞123具有一第一端124以及一第二端125，該第一端124具有開口 126且該開口 126位於該陽極氧化鋁薄膜12的第一表面121，該孔洞123的第二端125為封閉且該第二端125位於該陽極氧化鋁薄膜12的第二表面122，該封閉的第二端125被一氧化鋁層127覆蓋。接著，如圖4C所示，(C)使用電鍍沉積(electrodeposition)方法,使用交流電，電壓為15V,在該陽極氧化招薄膜12的孔洞123中成長銀納米金屬顆粒13，並使該銀納米金屬顆粒13完全位於該孔洞123中並附著於孔洞123的底端。之後，如圖4D所示，(D)以蝕刻方法移除該鋁金屬片11。接著，如圖4E所示，(E)使用5%的磷酸水溶液與該氧化鋁層127接觸，以移除覆蓋於該陽極氧化鋁薄膜12的第二端125的氧化鋁層127，使位於孔洞123內的銀納米金屬顆粒13顯露出來。最後，如圖4F所示，(F)以離子束派鍍法(ion beam sputter deposition)的物理性方法於陽極氧化鋁薄膜12的第二表面122形成厚度約為Inm至IOnm之間的氧化鋁阻障層17，使阻障層17覆蓋孔洞123的第二端125 (即，覆蓋該些銀納米金屬顆粒13)。如此，則形成本實施例的感測晶片I。本實施例中，阻障層17亦可以如原子層沉積法(atomic layer deposition)等化學性方法、物理氣相沉積法、或化學氣相沉積法形成，但不限於此。阻障層17的厚度可為，例如lnm、10nm、30nm、60nm、200nm、或300nm等,視需求以及感側效果調整。本實施例中，步驟(F)之後亦可還包括一步驟(G):於陽極氧化鋁薄膜12的第一表面121形成一保護層15,如圖4G所不。實施例5除了步驟(E)中移除氧化鋁層127的方法是使用物理性的方法，例如研磨進行(如圖1E』所示)；並接著以原子層沉積法形成氧化鋁阻障層17以外，本實施例的感測晶片的製作步驟與實施例4中所述的步驟相同。本實施例中使用物理性方法移除氧化鋁層127，可減少環境汙染(不需使用酸性化學藥劑)，不需衝洗、乾燥過程，且較為簡單。測試例1本測試例是對於感測晶片進行表面增強拉曼散射訊號測試，所使用的拉曼光譜偵測系統5如圖5所示，其包含有雷射光源(例如氦氖雷射)51、數個光學反射鏡52、凹口濾波器(notch filter) 56、拉曼訊號偵測儀55、顯微透鏡57、以及載臺58。測試時,感測晶片59是置放於載臺58上進行測量。在此,測試時所選的待側物為羅丹明(rhodamine 6G, R6G,—種染料分子)的溶液，並將此待側物滴在三種不同的晶片的氧化鋁層上。本測試例中選用三種晶片分別為(a)未成長銀納米金屬顆粒於其孔洞內的氧化鋁(AAO)薄膜；(b)氧化鋁薄膜，其孔洞中成長有銀納米金屬顆粒，但未將氧化鋁層減薄；(c)氧化鋁薄膜，其孔洞中成長有銀納米金屬顆粒，且氧化鋁薄膜是經由利用5%的磷酸蝕刻氧化鋁層10分鐘，以將氧化鋁層減薄，以減小金屬納米顆粒與氧化鋁層另一方的待側物的距離，而增強金屬納米顆粒受光激發而產生的電磁場加於待測物的強度(即，本發明實施例I的感測晶片)。上述三種晶片((a)、(b)、及(C))使用羅丹明(R6G)作為待測物質，測試過程是使用濃度為IuM的羅丹明溶液與晶片接觸10分鐘後，以去離子水清洗，之後量測分子的拉曼增強散射訊號，其結果分別如圖6中所示的曲線(a)、(b)、及(C)。由圖6可看出，使用晶片(a)無法測得拉曼訊號；使用晶片(b)可量到微弱羅丹明的拉曼訊號；使用晶片(C)則有很強且清楚的羅丹明的拉曼光譜訊號。因此晶片(C)(即，本發明的感測晶片)具有良好的拉曼訊號感測能力。測試例2本測試例如同測試例I取用三種晶片進行拉曼光譜分析，該三種晶片包括(a)未成長銀納米金屬顆粒於其孔洞內的氧化鋁薄膜；(b)氧化鋁薄膜，其孔洞中成長有銀納米金屬顆粒，但未將氧化鋁層減薄；(c)氧化鋁薄膜，其孔洞中成長有銀納米金屬顆粒，且氧化鋁薄膜是經由利用5%的磷酸蝕刻氧化鋁層10分鐘。然而，與測試例I不同處在於，本測試例是取用濃度為0. ImM的腺嘌呤(adenine)作為待測物質，吸附時使晶片與0. ImM的腺嘌呤溶液接觸30分鐘後，以去離子水清洗，之後量測分子的拉曼增強散射訊號，其結果如圖7所示。
由圖7可看出，使用晶片(a)無法測得拉曼訊號；使用晶片(b)可量到微弱腺嘌呤的拉曼訊號；使用晶片(C)則有很強且清楚的腺嘌呤的拉曼光譜訊號。因此再次證實本發明的感測晶片(晶片(C))具有良好的拉曼訊號感測能力。不同的分子或其它物質與結構各具有其獨特的拉曼光譜，因此，使用本發明的感測晶片，足以有效且快速地辨別所檢測包括生醫分子等微小而難檢測的物質與結構，達到生醫感測晶片或適用其它物質的感測晶片的功能。 綜上所述，本發明的感測晶片，其覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度為約Inm至300nm (較佳地可為Inm至60nm,更佳地為Inm至IOnm,最佳地為2nm至4nm),因此，當使用本發明的感測晶片測定拉曼散射訊號時，第二表面的阻障層可使照射金屬納米顆粒的光通過不受影響，而因照光而產生於金屬納米顆粒的等離子體子及相鄰金屬納米顆粒之間的增強電磁場亦不受阻障層的阻隔。因此，本發明的感測晶片可得到表面增強拉曼散射訊號，同時更使待測物不會直接與納米金屬顆粒接觸。本發明的感測晶片的阻障層可改善許多缺點，例如(I)由於覆蓋層(阻障層)的保護，金屬納米顆粒並不與外界或待測物接觸，所以不易氧化變質。因此容易得到穩定的偵測訊號。(2)由於金屬納米顆粒不直接與待測物接觸，所以也不會使待測物變質。(3)由於感測晶片的拉曼訊號增強效能是來自金屬顆粒，而非覆蓋層；所以只要金屬顆粒不被破壞，即使阻障層有少許損傷或變質，並不影響感測晶片的偵測效能。又由於，只有阻障層(或覆蓋於阻障層上的其它層)與外界或待測物接觸，所以只有阻障層(或覆蓋於阻障層上的其它層)須要清洗，而金屬顆粒不用，所以不會有金屬納米顆粒易變質的問題。上述實施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發明所主張的權利範圍自應以申請的權利要求範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
權利要求
1.一種生醫及微納米結構物質感測晶片，包括複數納米金屬顆粒以及一陽極氧化鋁薄膜，其中 該陽極氧化鋁薄膜為一具有納米孔洞的多孔性材料，其具有一第一表面以及相對該第一表面的一第二表面，且該陽極氧化鋁薄膜具有複數孔洞，該孔洞為長條管狀，且該孔洞具有一第一端以及一第二端，該第一端具有開口且該開口位於該陽極氧化招薄膜的第一表面，該孔洞的第二端是封閉且該第二端位於該陽極氧化鋁薄膜的第二表面，該封閉的第二端被一阻障層覆蓋，且該些複數納米金屬顆粒是完全位於該孔洞之內； 其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度為Inm至300nm;並且 當一待測物與該感測晶片的第二端的阻障層接觸時，是由拉曼光譜法測定一拉曼散射訊號。
2.如權利要求I所述的感測晶片，其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度為Inm至60nm。
3.如權利要求I所述的感測晶片，其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的阻障層的厚度為Inm至10nm。
4.如權利要求I所述的感測晶片，其中，該阻障層的材質為二氧化矽、氧化鋅、氧化鋁、或表面附氫原子或氟原子的石墨烯。
5.如權利要求I所述的感測晶片，其中，該待測物是與該感測晶片的陽極氧化鋁薄膜的第二表面接觸。
6.如權利要求I所述的感測晶片，其中，包括一功能性薄膜或附著物，覆於該第二表面，使該待測物與該功能性薄膜或附著物接觸。
7.如權利要求I所述的感測晶片，其中，該拉曼光譜法為表面增強拉曼散射法。
8.如權利要求I所述的感測晶片，其中，該孔洞的開口直徑為IOnm至400nm。
9.如權利要求I所述的感測晶片，其中，該納米金屬顆粒的粒徑為IOnm至400nm。
10.如權利要求I所述的感測晶片，其中，該納米金屬顆粒的材質是選自由銀、金、銅、鎳、鉻、鎢、白金、鋁及其合金所組成的群組。
11.如權利要求I所述的感測晶片，其中，該納米金屬顆粒為實心或空心，且該納米金屬顆粒的形狀為柱狀、類球狀、橢圓狀或不規則形狀。
12.如權利要求I所述的感測晶片，其中，包括一保護層，配置於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面。
13.—種感測晶片的製備方法，包括步驟 (A)提供一鋁金屬片； (B)將該鋁金屬片進行陽極處理，使該鋁金屬片表面形成一陽極氧化鋁薄膜，此薄膜為一具有納米孔洞的多孔性材料，其具有一第一表面以及相對該第一表面的一第二表面，且該陽極氧化鋁薄膜具有複數孔洞，該孔洞為長條管狀，且該孔洞一第一端以及一第二端，該第一端具有開口且該開口位於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面，該孔洞的第二端是封閉且該第二端位於該陽極氧化鋁薄膜的第二表面，該封閉的第二端被一氧化鋁層覆蓋； (C)在該陽極氧化鋁薄膜的孔洞中成長納米金屬顆粒，並使該納米金屬顆粒完全位於該孔洞中； (D)移除該鋁金屬片；以及(E)減薄覆蓋於該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層，使覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層的厚度為Inm至300nm，以形成該感測晶片。
14.如權利要求13所述的感測晶片的製備方法，其中，該步驟(E)是經由使用一酸溶液腐蝕該氧化鋁層、或以一物理性方法減薄該氧化鋁層而達成。
15.如權利要求13所述的感測晶片的製備方法，其中，當一待測物與該感測晶片的第二端的氧化鋁層接觸時，由拉曼光譜法測定一拉曼散射訊號。
16.如權利要求13所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(C)中的該納米金屬顆粒是由電鍍沉積方法所形成。
17.如權利要求13所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(B)之後包括一步驟(BI)將該陽極氧化鋁薄膜放入一侵蝕溶液中，以增加孔洞的開口直徑。
18.如權利要求13所述的感測晶片的製備方法，其中，該步驟(B)中，該孔洞的開口直徑為 IOnm 至 400nm。
19.如權利要求13所述的感測晶片的製備方法，其中，該納米金屬顆粒的材質是選自由銀、金、銅、鎳、鉻、鎢、白金、鋁及其合金所組成的群組。
20.如權利要求13所述的感測晶片的製備方法，其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化招層的厚度為Inm至60nm。
21.如權利要求13所述的感測晶片的製備方法，其中，覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化招層的厚度為Inm至10nm。
22.如權利要求13所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(E)之後包括一步驟(F)於該陽極氧化鋁薄膜的該第一表面形成一保護層。
23.一種感測晶片的製備方法，包括步驟 (A)提供一鋁金屬片； (B)將該鋁金屬片進行陽極處理，使該鋁金屬片表面形成一陽極氧化鋁薄膜，此薄膜為一具有納米孔洞的多孔性材料，其具有一第一表面以及相對該第一表面的一第二表面，且該陽極氧化鋁薄膜具有複數孔洞，該孔洞為長條管狀，且該孔洞一第一端以及一第二端，該第一端具有開口且該開口位於該陽極氧化鋁薄膜的第一表面，該孔洞的第二端為封閉且該第二端位於該陽極氧化鋁薄膜的第二表面，該封閉的第二端被一氧化鋁層覆蓋； (C)在該陽極氧化鋁薄膜的孔洞中成長納米金屬顆粒，並使該納米金屬顆粒完全位於該孔洞中； (D)移除該鋁金屬片； (E)移除覆蓋於該陽極氧化鋁薄膜的第二端的氧化鋁層，使顯露該些納米金屬顆粒；以及 (F)形成一阻障層，使該阻障層覆蓋該陽極氧化鋁薄膜的第二端及該些納米金屬顆粒，該阻障層厚度為Inm至60nm，以形成該感測晶片。
24.如權利要求23所述的感測晶片的製備方法，其中，該步驟(E)是經由使用一酸溶液腐蝕該氧化鋁層、或以一物理性方法減薄該氧化鋁層而達成。
25.如權利要求23所述的感測晶片的製備方法，其中，該步驟(F)的該阻障層是經由離子束濺鍍法、物理氣相沉積法、化學氣相沉積法或原子層沉積法形成。
26.如權利要求23所述的感測晶片的製備方法，其中，當一待測物與該感測晶片的阻障層接觸時，是由拉曼光譜法測定一拉曼散射訊號。
27.如權利要求23所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(C)中的該納米金屬顆粒是由電鍍沉積方法所形成。
28.如權利要求23所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(B)之後包括一步驟(BI)將該陽極氧化鋁薄膜放入一侵蝕溶液中，以增加孔洞的開口直徑。
29.如權利要求23所述的感測晶片的製備方法，其中，該步驟(B)中，該孔洞的開口直徑為 IOnm 至 400nm。
30.如權利要求23所述的感測晶片的製備方法，其中，該納米金屬顆粒的材質是選自由銀、金、銅、鎳、鉻、鎢、白金、鋁及其合金所組成的群組。
31.如權利要求23所述的感測晶片的製備方法，其中，該阻障層的材質為氧化鋁、二氧化矽、氧化鋅、或表面附氫原子或氟原子的石墨烯。
32.如權利要求23所述的感測晶片的製備方法，其中，該阻障層的厚度為Inm至10nm。
33.如權利要求23所述的感測晶片的製備方法，其中，步驟(F)之後包括一步驟(G)於該陽極氧化鋁薄膜的該第一表面形成一保護層。
全文摘要
一種生醫及微納米結構物質感測晶片及其製備方法。該感測晶片包括複數納米金屬顆粒以及一多孔性陽極氧化鋁薄膜，其中該些複數納米金屬顆粒完全位於該多孔性陽極氧化鋁薄膜的孔洞內並附著於孔洞的底端，且覆蓋孔洞的第二端的氧化鋁層的厚度為1nm至300nm。當如生醫分子的待測物與感測晶片接觸時，由拉曼光譜法測定拉曼散射訊號。本發明的光轉換的感測晶片結構簡單，製作方法容易，因此具有非常高的商業利用價值。此外，本發明還提供了有關於一種上述感測晶片的製備方法。
文檔編號G01N21/65GK102621122SQ20111032745
公開日2012年8月1日 申請日期2011年10月25日 優先權日2011年1月27日
發明者劉志毅, 崔祥辰, 曾永華, 林幸瑩, 羅本超, 陳仕哲, 黃政文, 黃貞翰 申請人:曾永華