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研究生: 林柏宏
Bo-Hong Lin
論文名稱: DNA濃度變化對氮化銦鎵量子井表面 拉曼強度的影響
Concentration Dependence of the DNA SERS Intensity Measured on InGaN Quantum Wells
指導教授: 賴昆佑
Kun-Yu Lai
簡汎清
Fan-Ching Chien
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 光電科學與工程學系
Department of Optics and Photonics
論文出版年: 2025
畢業學年度: 113
語文別: 中文
論文頁數: 59
中文關鍵詞: 表面增強拉曼散射循環腫瘤DNA癌症突變基因量子井金屬有機化學氣相沉積表面電漿共振局部表面電漿共振
外文關鍵詞: Surface-Enhanced Raman Scattering, circulating tumor DNA, Kirsten rat sarcoma, Quantum Well, Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, Surface Plasmon Resonance, Localized Surface Plasmon Resonance
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  • 本研究聚焦於表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS)技術於生物醫學感測的潛在應用。SERS 透過金屬與分子接觸界面所產生的局部電磁共振,可顯著放大拉曼訊號提升至十萬甚至百萬倍等級。SERS具備高度靈敏、良好分子識別能力與無須標記等特性。然而,SERS 偵測仰賴奈米尺度的電磁熱點,為提升訊號穩定性與熱點密度,我們採用有機金屬化學氣相沉積(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)技術,在藍寶石基板上製備InGaN/GaN量子井結構,藉此增加晶片表面的載子濃度,也提升SERS訊號的穩定度。
    我們展示該氮化物SERS基材於循環腫瘤DNA(ctDNA)檢測的實際應用,並藉由調控磊晶層設計與量測條件,成功放大DNA目標序列的拉曼訊號強度,為無標記癌症早期診斷提供一種具發展潛力的策略。
    實驗結果發現,調控銦通量並採用四層量子井結構,相較於三層量子井,可顯著提升拉曼增強效果。此外,針對不同濃度之DNA樣本進行SERS量測與分析,發現其拉曼光譜具有可辨識的差異,並在光學顯微鏡下觀察到濃度變化所導致的樣本分布行為,有機會應用在癌症的基因檢測。


    This study explores the use of Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) for biomedical sensing, particularly for detecting circulating tumor deoxyribonucleic acid (ctDNA). SERS enhances Raman signals through localized electromagnetic resonance at the metal–molecule interface, achieving signal amplification up to 10⁵–10⁶ times. To improve signal stability and hotspot density, InGaN/GaN quantum well (QW) structures were grown on sapphire substrates using metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD). These nitride-based structures increase surface carrier density and stabilize the SERS signals.
    We applied the nitride SERS substrate to detect ctDNA and optimized the quantum well design and measurement conditions. Results show that using four QW layers and higher indium flux improves signal intensity compared to the three-QW structures. SERS spectra of DNA at different concentrations showed clear difference, and optical microscopy revealed changes in sample distribution. These findings indicate that the nitride SERS platform offers a sensitive and label-free method for ctDNA detection, showing potential in the genetic testing for cancer diagnosis.

    中文摘要 I 英文摘要 II 致謝 III 目錄 IV 圖表目錄 VI 第一章、緒論 1 1.1表面增強拉曼散射(SERS)的根源與發展 1 1.2氮化物量子井在表面增強拉曼散射的優勢應用 5 1.3基於SERS的DNA生醫感測技術研究 6 1.4研究動機 8 第二章、實驗原理 10 2.1表面增強拉曼散射原理 10 2.1.1電磁場增強機制 10 2.1.2化學增強機制 16 2.2磊晶技術的製程機制與原理 20 2.2.1常見的磊晶製程技術 21 2.3實驗步驟 22 2.3.1 DNA溶液調製 23 2.3.2 SERS基板磊晶製備 24 2.3.3基板表面鋁奈米顆粒的形成 25 2.4實驗儀器 26 第三章、結果與討論 31 3.1量子井層數對發光波長的影響 31 3.2量子井層數對DNA SERS強度的影響 36 3.3 DNA濃度變化對拉曼光譜響應之影響探討 38 3.4 DNA與突變DNA分析 43 第四章、結論與未來展望 46 4.1結論 46 4.2未來展望 47 第五章、參考文獻 49

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