3-1 問題與討論
3-1-1 不同片徑大小的黏土
本實驗使用三種不同片徑大小的黏土做為奈米金粒子的穩定劑，分別為人造黏 土(亦可稱為鋰皂石，Laponite)、蒙脫土(montmorillonite，MMT)及雲母(Mica)。
用掃描式電子顯微鏡作為鑑定黏土大小得依據，如 Figure 4.所示。人造黏土的 片徑落在 25nm，在常溫儲存下會彼此團聚成塊狀，其黏土的金屬插層的組成為 矽(Si, 26.7wt%)、鎂(Mg, 15.3 wt%)、鋁(Al, 0.1 wt%)、鈉(Na, 2.3 wt%)、鐵(Fe, 3.3 wt%)。蒙脫土在較低倍率下呈現球狀分布，其片徑約為 100nm 及其化學組成為 矽(Si, 24.9wt%)、鎂(Mg, 12.12 wt%)、鋁(Al, 0.4 wt%)、鈉(Na, 2.6wt%)、鐵(Fe, 5.8wt%)。雲母的片徑較大可達 1 微米，其化學組成為矽(Si, 31.81wt%)、鋁(Al, 9.37 wt%)、鈉(Na, 4.0wt%)、鐵(Fe, 6.6wt%)。
Figure 4. 掃描式電子顯微鏡(SEM)下，(a)Laponite、(b)MMT 及(c)Mica 不同倍 率下。
3-1-2 製備奈米金粒子/黏土水溶液及其穩定性
奈米金粒子水溶液隨反應時間顏色逐漸由原本 HAuCl4的金黃色，變成透明無色
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Figure 5. 使用紫外-可見（UV-Vis）吸收光譜，在未添加黏土穩定的奈米金水溶 液在不同反應時間下，奈米金粒子對於紫外光的吸收度。
進一步使用穿透式電子顯微鏡(TEM)觀測奈米金粒子的穩定情形(Figure 6.) 在使用人造黏土穩定後，平均粒徑大小落在 27±5nm。每個奈米金粒子外包覆著 淺灰的人造黏土，以證明黏土的吸附離子的特性可以用以穩定奈米金粒子。吸 附在黏土上的奈米金粒子可以避免顆粒間的布朗運動，導致粒子碰撞聚集，產 生團聚的現象。雲母的片徑大小較大，所以無法完全的包覆奈米金粒子導致其 聚集在雲母的邊緣，顆粒大小及形狀極其不穩定。
這個差異來自於黏土基面中的層電荷所影響之鍵結強度，相鄰的黏土單體 是靠著凡得瓦爾力鍵結在一起。黏土的層電荷為負值，金屬離子的交換以靜電 吸引力鍵結。澎潤土系列例如 MMT 和 Laponite 等有相對的弱鍵結，溶在水中 極性分子如水可以進入基面使表面擴張，金屬離子得以進入基面進行陽離子交 換。層電荷較高的如雲母因為離子鍵強為非膨脹性的，四氯金酸離子無法進入 基面中，只能在 Mica 的邊緣進行還原反應，失去了穩定的效果。
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Figure 6. 穿透式電子顯微鏡下，觀察(a)AuNPs/Laponite、(b)AuNPs/MMT 及 (c)AuNPs/Mica 不同倍率下奈米金粒子的分散情形及其粒子大小。
3-1-3 玻璃基材 Drop coating
本實驗檢測了腺嘌呤為 DNA 的成份，是生命基本組成，用以表示拉曼散射底 板可用於生物檢測，藉由將溶液滴在玻璃基板上並使用水蒸發方法形成薄膜來 製造 SERS 混合基板。然後將底板浸入待測物溶液中測量吸附在 Au/Laponite 混 合基材上的待測物分子對 SERS 光譜訊號。腺嘌呤在 733cm-1及 1331cm-1的頻 帶強烈有拉曼散射的特徵峰如 Figure 7.是屬於 C-H 和 N-C 的呼吸峰。本實驗製 備的拉曼散射底板觀測其對腺嘌呤在 733cm-1的訊號可以達到極限濃度 10-9M，
增強效果達到 1.2 × 106。增強因子的計算公式為
EF =（ISERS / CSERS）/（Iref / Cref）
其中 CSERS（1.0×10-3,1.0×10-6,1.0×10-9M）表示腺嘌呤在 AuNPs/Laponite 玻璃基 板上的濃度，Cref 則為腺嘌呤粉末表示為 1M。 ISERS和 Iref 分別是源自腺嘌呤 的 733cm -1處的訊號強度。I/B 比則為 733cm -1處的訊噪比，可以用以判斷微量 檢測下分子的存在，此拉曼散射底板的訊號對腺嘌呤分子有明顯的增強效果。
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Figure 7. 使用製作的拉曼散射底板對 adenine 檢測拉曼散射，在 733cm-1有明 顯的特徵峰。
Table 3. 對於 Au/Laponite 混合基材上 Adenine 的 SERS 訊號分析。
Adenine EF1 I/B2 10-3M 3.6*105 0.43 10-6M 1.1*106 0.15 10-9M 1.2*106 0.08
1 EF=(Isers*Cnorm)/(Inorm*Csers) .
2 I/B ratio is the great one.
3-1-4 以靜電紡絲成膜
一般在靜電紡絲用於拉曼散射的金屬離子含量需較高，由於金屬離子被高分子 纖維所包覆，待測分子不易接觸到金屬粒子而失去了增強的效果。而使用同軸
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的靜電紡絲纖維可以避免這種現象，金屬粒子在纖維表面，做出殼/核的奈米纖 維除了接觸面積更展現了隨機分布的纖維達到三維熱點的效果。我們將與PVA 混合完畢的AuNPs溶液包覆較高濃度的PVA12wt%水溶液，做出同軸靜電紡絲 的纖維膜，呈現淺粉紅色。靜電紡絲過程中，一端的高壓對兩針中的溶液極 化，中軸的高濃度的PVA水溶液因為內部排斥力大於對針頭的表面張力，溶液 由針頭噴出，並將外針的奈米金水溶液帶出，經電場影響產生彎曲，奈米金粒 子在沉積效應及剪切作用下，有順向性排列在奈米纖維中。本實驗使用穩定性 較佳的Laponite作為靜電紡絲纖維膜的穩定劑使用。
由從Figure 8.的TEM圖的低倍及高倍本身有著明顯的顏色差距，中心為較深的 PVA纖維，直徑約有500nm，而外層的奈米纖維層較淺，且有奈米金粒子分 布。從Figure 9.的SEM圖顯示同軸奈米金粒子/人造黏土包覆PVA溶液的纖維 膜，是由奈米纖維隨機堆疊而成的三維結構。當放大觀察SEM圖可以看到其表 面上有許多亮點是AuNPs，我們可以清楚的觀察到AuNPs鑲嵌在PVA奈米纖維 中且突出在PVA奈米纖維表面與外界所接觸。
Figure 8. 同軸的靜電紡絲的纖維膜，在(a)(b)(c)穿透式電子顯微鏡下，可看到 core-shell 的情況，外針含有奈米金粒子，中軸則為聚乙烯醇。
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Figure 9. 掃描式電子顯微鏡下，在(a)單針和(b)同軸下，低倍可觀察纖維的三 維結構，高倍則有粗糙的纖維表面，此為奈米金粒子。
對靜電紡絲纖維膜檢測腺嘌呤，因為纖維本身的隨機的奈米纖維疊成，
可以產生三維熱點。本實驗使用低濃度的奈米金粒子做出同軸的靜電紡絲纖維 膜將纖維膜浸入待測物溶液中，可因為纖維結構對腺嘌呤快速吸收，待測物可 以更輕易的接觸到 Au/Laponite 混合基材產生較強的 SERS 光譜訊號。不同於 單針所呈現的纖維膜，金屬粒子包覆在聚乙烯纖維內，無法直接接觸待測物，
表面電漿共振的效果較不佳。從 Figure 10.可以觀察出在 733cm-1有腺嘌呤的特 徵峰值，其在 970 cm-1的位置則為聚乙烯醇的特徵峰，在 1350 cm-1聚乙烯醇 與腺嘌呤的訊號加成產生明顯的獨立峰值。紅線為使用同軸方式混合奈米金粒 子製作的纖維膜，藍線為使用單軸方式的纖維膜，黑線純聚乙烯醇的纖維膜。
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Figure 10. 靜電紡絲的纖維膜，對濃度 10-3M 的腺嘌呤檢測表面增強拉曼散射。
3-2 結論
本實驗展現出一種新興的製程方式製做表面增強拉曼散射底板，使用人造黏土 穩定奈米金粒子，並使用靜電紡絲技術做出奈米金粒子包覆聚乙烯醇的可撓式 纖維膜，分別對腺嘌呤做表面拉曼的檢測，分別可以達到濃度 10-9M 及 10-4M。
在 Figure 11.整理了不同製程的拉曼散射底板的有效增強拉曼散射訊號的能力，
使用高濃度奈米金粒子乾燥的玻璃基材有非常良好的增強效果，而殼/核的同軸 靜電紡絲製備的奈米纖維膜明顯比傳統的單軸混合奈米纖維的製備方式有著良 好的效果，跟現今所使用的拉曼散射底板，兼具綠色環保議題及可撓式的良好 性質，可再現性及生物可降解性。未來更可以大面積生產，希冀成為一種環保成 本低廉可以大量生產的替代現今所使用的生物晶片。
Figure 11.不同製程方式做出的拉曼散射底板的拉曼強度。
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