CN103926231B - 光学感测芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可重复使用且应用广泛的光学感测芯片。本发明的光学感测芯片不但可定性辨别不同种类分子，还可以进行定量分析感测微量小分子。传统光学式感测芯片，往往需要额外加入已知浓度的样品，再通过信号比对来定量量测；但本发明中不需额外加入已知浓度的参考样品，而是利用感测芯片本身具有可提供不随感测环境变化的固定光学信号作为定量化依据。此外尚具有能即时处理样本特定电性分子的筛选浓缩或过滤功能。
Description
技术领域
本发明是有关于一种感测芯片，且特别是有关于一种光学感测芯片。
背景技术
现在市面上现行的生物感测器，主要可以分为依赖化学反应(或是呈色反应)机制或依赖免疫荧光标定机制所产生的光学感测芯片。
在一般化学反应机制的感测器，总是需要一个具电化学活性的分子或是使用会变色的分子作为报告分子(reporter)，但是添加的报告分子在反应后难以去除，会污染原来检体系统。此外，也会因为每次反应而消耗掉一定比例的活性反应表面，因此难以进行多次而且持续性的检测。
免疫荧光标定机制中除了免疫反应的限制外尚需要加入荧光分子，透过荧光分子进行免疫反应之后，尚需要进行重复的芯片清洗动作。虽然灵敏度相当好，但是因为免疫反应所需的时间较长，无法整合在即时监测的系统内来使用。此外，荧光分子往往俱有较高的生物毒性，必须去除量测后的荧光分子也导致限制增加。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用表面等离子体共振(Surface PlasmonResonance,SPR)效应的光学感测芯片，不但可以即时量测到感测器表面非常细微的变化情况而具高灵敏度，还可达到定量分析、定性分析等多重功能。此外，本发明的感测芯片还可整合流道传输或信号转换处理系统等，处理辨认不同种的小分子环境或生物样品。
为达上述目的，本发明提供一种光学感测芯片，其至少包括基底、绝缘氧化物层、隔离层以及立体纳米结构阵列。该绝缘氧化物层覆盖于该基板上，而该隔离层覆盖于该基板与该绝缘氧化物层之上。该隔离层具有至少一开口，以暴露出位于该绝缘氧化物层上的该立体纳米结构阵列。该立体纳米结构阵列包括排列成行列的多个立体纳米结构，而任一立体纳米结构至少包括一立体聚合物结构与共形覆盖于该立体聚合物结构上的一金属层。
在本发明的实施例中，该基底是一硅基底。该绝缘氧化物层的材质包括金属氧化物或氧化硅。该隔离层材质包括透明的高分子聚合物。
在本发明的实施例中，该立体聚合物结构为具约300纳米直径的聚苯乙烯球。该金属层为厚度约20～60纳米的金、银或铜膜。
在本发明的实施例中，该基底还包括一底金属层，位于该绝缘氧化物层的下方，其位置对应于该立体纳米结构阵列的位置。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1A-1D是一种光学感测芯片结构制造流程的示意图。
图2A是一种光学感测芯片结构的立体示意图。
图2B是本发明感测芯片感测机制的示意模拟图。
图3是已完成表面金属溅镀的该些立体纳米结构表面型态的扫描式电子显微镜图。
图4是依据本发明一实施例的混合样本的拉曼光谱图。
图5是依据本发明另一实施例的三聚氰胺样本的拉曼光谱图。
图6是依据本发明又一实施例的三聚氰胺样本的拉曼光谱图。
主要元件符号说明
20：光学感测芯片结构
100：基底
110：绝缘层
120：底金属层
130：绝缘性氧化物层
200：立体纳米结构
210：立体聚合物球体
220：金属层
300：隔离层
302：开口
A：电极图案
具体实施方式
本发明是关于一种光学检测芯片，可广泛应用在各种小分子的感测。此处所谓小分子，大概指分子量在100kDa以下的分子，包括化学分子、药品、氨基酸、肽、带电小分子。针对生物样本，此感测芯片量测机制也无需使用一般抗体-抗原的免疫标定反应。
本发明应用拉曼光学原理，拉曼特征光谱的产生是由于分子和金属彼此互相接近，而达到利用金属表面产生局部等离子体效应(localized surface plasmonresonance,LSPR)而将电场集中在一个非常局部的地方，再借由电场局部放大来使得待测分子的分子振动膜态改变，最终将散发出一个俱有特征拉曼波长的特征指纹光谱，此机制一般称为表面增益型拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)。而表面增益型拉曼散射和一般拉曼光谱最大的不同就是需具有纳米金属粒子存在于样本中进行LSPR的效应而放大拉曼信号。此技术的特点是可用以量测不同种的分子结构，所以不需要使用额外的抗体抗原反应即可量测得知何种结构的样本正位在感测器的表面。
本发明所使用的主要感测手段利用适当尺寸范围立体纳米结构，当待测物靠近至立体纳米结构一特定范围内，立体纳米结构会和入射光产生表面等离子体共振，放大局部电场，而此电场会进一步影响待测分子的拉曼信号，进而放大整体拉曼成为表面增强拉曼散射(SERS)。相较于传统拉曼，表面增强拉曼散射可放大增益强度达106～109倍的信号增益。针对表面增益型拉曼散射(非弹性散射)，不同分子结构具各别特征信号信号。而透过拉曼光谱机制中针对不同待测样本会有不同的光指纹图谱的特性，可以通过建构光谱的数据库来达到分辨不同待测分子的辨识性，因此量测特定拉曼光谱来分辨不同生物样本具高度定性分析准确度。
本发明将纳米金属粒子固定在用以处理液体样本的表面，可不必通过过滤等手段移除纳米金属粒子，大大简化此感测芯片的操作处理流程。
此外，为了增加信号以及背景噪声的对比度，会将纳米金属结构(颗粒)阵列固定于一个特定的感测器表面上；由于纳米金属结构阵列固定于一个平面的方式，将可以利用纳米金属颗粒增强散射出的拉曼光谱，由此放大信号噪声的对比度。
在纳米金属结构阵列下方结构则是由两层不同材料所组成，其中包括了底层的金属电极层以及中间夹层的绝缘性氧化物层。这两层各有其功能，其中底层的金属电极层是用以在施加静电来驱使芯片表面的电双层电性改变，也就是改变表面的界达电位(zetapotential)。通过此改变表面电双层可以筛选不同电性的离子抵达欲纳米金属阵列的表面。而中央的绝缘夹层则是肩负着提供固定不随样本变化的拉曼信号，来做为定量所用，之后各量测数据皆是和此固定的拉曼信号做对比来决定其真实强度。
图1A-1D是一种光学感测芯片结构制造流程的示意图。
如图1A所示，提供一基底100，该基底100上有一绝缘层110与位于该绝缘层110上的一底金属层120。可以先在基底100上利用例如低压热氧化方式或低压化学沉积法LPCVD，于该基底100的上表面上长出致密的绝缘层110，该绝缘层110例如是二氧化硅层。该底金属层120例如是溅镀再经微影黄光等图案化步骤而形成的金属层例如是铝金属，该底金属层120位于该绝缘层110上而仅覆盖部分该绝缘层110。该底金属层120后续是作为静电式电极操控之用，故该底金属层120具有一电极图案A。该基底100例如是一硅基底或硅芯片。
如图1B所示，接着形成一绝缘性氧化物层130共形覆盖住该底金属层120与该绝缘层110。该绝缘性氧化物层130的材质例如是金属氧化物或氧化硅，而以等离子体增益型化学气相沉积法(PECVD)或原子层沉积法(ALD)所沉积而成的。举例而言，该绝缘性氧化物层130可以是厚度约20纳米的三氧化二铝(Al2O3)或二氧化硅(SiO2)层。
如图1C所示，在该绝缘性氧化物层130上形成多个立体纳米结构200。该些立体纳米结构200包括多个立体聚合物球体210与共形覆盖于其上的金属层220。立体聚合物球体210的制造例如是在该绝缘性氧化物层130上利用表面张力驱使的自组装技术而排列形成的聚合物球体，该些聚合物球体例如是约300纳米直径的聚苯乙烯球(polystyrenebeads)。该些立体聚合物球体210可排列成阵列状，而其排列位置图案同样大致对应着电极图案A的位置与形状。在完成立体聚合物球体210阵列之后，再利用溅镀共形覆盖沉积上一薄金属层220，而形成该些立体纳米结构200。此外，该金属层220并覆盖住该绝缘性氧化物层130没被该些立体纳米结构200所遮盖的表面。该金属层220例如为厚度约20～60纳米的金、银或铜膜。此处所示立体纳米结构200乃为球状或卵状，但是也可为锥状(见图2A与图2B)、柱状或立方体、长方体等，该些立体纳米结构200排列成阵列状，而其排列位置图案同样大致对应着电极图案A的位置与形状。该立体纳米结构200主要是将金属层220作为表面等离子体共振结构。
见图1D，在该金属层220上形成隔离层300。该隔离层300具有至少一个开口302，该开口302的位置、形状大小同样大致对应着电极图案A；也就是说，该开口302不一定完全暴露出电极图案A的全部范围，但至少暴露出排列成阵列状的该些立体纳米结构200与共形覆盖于该绝缘性氧化物层130上的部分该金属层220。该隔离层300的材质例如是透明的高分子聚合物，如聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)。例如该隔离层300的厚度约为1公分厚，而其所具有的开口302乃为5厘米大小的圆形开口。
图2A是一种光学感测芯片结构的立体示意图。参见图2A，光学感测芯片结构20(由下而上)依序包括该基底100、位于该基底100上的绝缘层110、位于该绝缘层110上的底金属层120以及共形覆盖住该底金属层120与该绝缘层110的该绝缘性氧化物层130。
其中，该绝缘性氧化物层130或是基底100亦可以提供一特定且固定的拉曼信号，其拉曼信号随材质不同而为一特定值，且不会随周围环境变动而变化，故为一固定值。因为该绝缘性氧化物层130或是基底100可以提供一特定且固定的拉曼信号，可以使用绝缘性氧化物层130或是基底100做为参考信号膜层，而以其固定的特征拉曼信号作为信号对比的参考，而用以定量分析。
此处实施例以硅基底作为例子，但所谓基底不特定针对硅基底，如其他类基板于其上经过镀膜过程后，产生一膜层结构，具有一特定固定可供作为参考拉曼信号，也可作为基底使用。其他类基板例如：玻璃、高分子及陶瓷基板。
该底金属层120具有一电极图案A(见图2A左下方虚线)，其中位于该基底100/该绝缘层110与该绝缘性氧化物层130之间的电极图案A乃作为静电操控电极。
而在对应于电极图案A位置的该绝缘性氧化物层130上具有多个立体纳米结构200。该些立体纳米结构200包括多个立体聚合物球体210与共形覆盖于其上的金属层220。金属层220也覆盖住该绝缘性氧化物层130没被该些立体纳米结构200所遮盖的表面。
此外，光学感测芯片结构20还包括位于该金属层220与该绝缘性氧化物层130上的隔离层300。该隔离层300具有至少一个开口302。参见图2A左下方的区域对应示意图，一般而言，该开口302的开口区域A’形状大小应小于或等于但大致对应着电极图案A的形状大小，而两者位置也应相对应。此处开口呈圆形，但其实际形状可为任意多边形。前述电极图案、立体纳米结构阵列图案或开口图案等的形状、大小或位置均可视芯片设计而更动，而不限于此处实施例所述。该些立体纳米结构200透过开口302暴露出来与待测物接触，提供表面增益拉曼信号。
由于该隔离层300的厚度，该开口302可视为一井或坑洞，可承装样本液体；而样本液体中的待测物接近位于开口302中的立体纳米结构200时，则经由表面等离子体共振而产生表面增强拉曼散射信号，而用以定性或定量分析。
本发明中该隔离层300可具有多个开口302排列成阵列，例如成孔盘式排列，例如一单位感测芯片上可存有16-96孔(开口)，而每一孔作为感测单元以便于承载样本液体。
图2B是本发明感测芯片感测机制的示意图。图2B中锥状的立体纳米结构200是作为表面等离子体共振结构，当分析物AS靠近锥状的立体纳米结构200至一定距离的范围之内(约小于等于10纳米)，立体纳米结构200会和入射光产生表面等离子体共振，进而放大整体拉曼成为表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)。同时，如图2B所示，可施加偏压至底金属层120的电极图案A作为静电操控电极来驱使芯片表面的电双层电性改变，由此改变表面电双层电性，而使不同极性的分析物AS靠近纳米金属阵列的表面(局部浓缩)，并排斥相同极性的杂离子BS而使其远离纳米金属阵列的表面(排斥过滤)，故达到筛选不同电性的离子能否抵达欲纳米金属阵列的表面的能力。
也就是说，本发明具有可操控静电电双层的双层结构(亦即该底金属层120与该绝缘性氧化物层130)，可提高抵达纳米金属阵列感测芯片的样本浓度(亦即浓缩样本)，而无需事先纯化处理样本(例如以离子过滤膜或干燥处理来浓缩样本)，不但帮助侦测较低或更低浓度的样本，且大大节省处理时间能快速处理达到及时监测的目的。
图3是已完成表面金属溅镀的该些立体纳米结构表面型态的扫描式电子显微镜图。与图2A与图2B的示意图中所示排列间距相当宽松的该些立体纳米结构不同，该些立体纳米结构实际上可以相当紧密地排列。
根据本发明另一实施例，所谓立体纳米结构也可以设计成非固定式的立体结构，依据相同原理设计成纳米颗粒(半径尺寸约为190nm)，该纳米颗粒具有硅核心(半径尺寸150nm)且核心外依序包覆着绝缘氧化物层(厚度20nm)与金属层(银膜层)(厚度20nm)，而直接添加至样本中，也就是说将上述固定在基板上的立体纳米结构由基板上脱附下来而成。
实验
本发明的感测芯片可利用拉曼光谱仪(QE-65000 Raman spectrometer)量测，搭配使用倍频的NdYAG 532纳米激光作为激发源而光纤式拉曼探头读取之。使用60秒为积分条件、532纳米激光激发能量为60mW。本发明使用本发明的感测芯片来量测不同混和物在不同浓度的条件下所得的信号，以及当控制表面电双层效应下浓缩样本的效果测试。测试样本为三聚氰胺(Melamine)以及尿素(Urea)和肌酸酐(Creatinine,CR)的混和测试物。测试结果首先先测试在增益拉曼芯片表面感测不同混和物，例如：尿素和不同浓度肌酸酐的混和物是否可以利用拉曼光谱进行分析浓度信号差异。结果如图4所示。尿素是固定浓度10mM而肌肝酸(CR)浓度则是改变，自10mM、20mM增至30mM。其中标黑色箭头者为代表肌酸酐的信号，而红色箭头者则为代表尿素的特征信号。可以发现尿素的特征信号并未有明显变动，相反的则是肌酸酐的信号则随着不同浓度有不同高低信号。因此对于混合物的定性分析，表面增益拉曼光谱是有其优点。但是相对的本方式仅只能辨认是何物种其浓度有所变化，但如要达到定量分析结果则尚需有一固定信号以供校对。例如此实施例中尿素浓度在测试中皆为固定值，可供比对之用。
因此本发明设计加入具有特定拉曼信号的绝缘氧化物层来做为参考信号源。
在实际多功能芯片测试上，使用了二氧化硅作为绝缘氧化物膜层的材料，其拉曼光谱特征信号位于525cm-1的拉曼位移上。因此只需要针对此信号来比对不同信号即可知道其确实浓度。在定量量测测试是以三聚氰胺为测试主角。首先先测试三聚氰胺纯物质其特征拉曼信号，以确认量测结果是否为三聚氰胺。测试光谱结果如图5，从三聚氰胺纯物质的拉曼位移数据，可以发现其主要信号位于678cm-1以及991cm-1。
图6显示本案所设计的芯片针对三聚氰胺水溶液样本与干燥样本的测试结果，并测试施加静电力所造成的变化。三聚氰胺溶于水中呈弱碱性而带弱正电。当施加一静电力于芯片上，可以发现为于638cm-1特征信号(红色)明显比没有施加任何静电力(黑色)于其上时有明显的增加，此说明了施加此静电力有引导待测样本抵达纳米结构的功用。使用静电力方式可以有效导引三聚氰胺使其在立体纳米结构的金属表面聚集，以增加信号强度。而位于525cm-1的参考信号依旧稳定，可提供定量量测的参考依据。
当控制电双层电性和待测分子为同极性时会发生排斥作用，反之则是控制电双层电性和待测分子为不同极性时会有浓缩效果。特别是针对低浓度待测物的情况，不但本案的感测芯片所量测待测物浓度可低至1ppm，还可施加静电力使待测物聚集(浓缩待测物)以方便测量。
此外在拉曼位移的525cm-1处有一个不会随着测试样本浓度改变的固定信号(从作为绝缘氧化物膜层的二氧化硅而来)。所有量测的信号强度都可以和这个参考信号(525cm-1)的强度进行比对，以达到定量分析的目的。此处可以根据参考信号以所谓正常化(Normalization)的方式来处理定量量测的数据。
本发明具有明显的结构特征，包括由下而上具有金属/绝缘氧化层/纳米金属阵列迭层结构型态，透过该些立体纳米结构可以提供表面增益型拉曼信号。本发明提供位于芯片上方的固定拉曼信号膜层(亦即绝缘氧化物膜层)来提供固定参考信号而达到检体定量量测。
此外，本发明可利用芯片所施加的静电力来进行样本浓缩以及达到杂质排斥的目的。
本案利用拉曼光学系统的检测芯片具有相当大的应用潜力，举凡生医制药、环境检测、非侵入血糖检测、食品安全快速检测或微生物快速筛检等等检测目，皆可能应用。
虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。
Claims (16)
1.一种光学感测芯片，包括：
基底，具有一绝缘层；
至少一绝缘氧化物层，覆盖于该基底上以提供一固定拉曼信号；
电极图案，位于该基底上以及该至少一绝缘氧化物层下方，其中该电极图案直接位于该绝缘层上，且该至少一绝缘氧化物层共形覆盖该电极图案的上表面和侧表面；
隔离层，覆盖于该基底与该至少一绝缘氧化物层上，其中该隔离层具有至少一开口；以及
立体纳米结构阵列，位于该至少一绝缘氧化物层上以及位于该基底上方，其中该电极图案的位置对应该立体纳米结构阵列的位置，而该开口暴露出该立体纳米结构阵列，其中该立体纳米结构阵列包括排列成行列的多个立体纳米结构，而任一立体纳米结构至少包括一立体聚合物结构与共形覆盖于该立体聚合物结构上的一金属层，
其中该多个立体纳米结构作为表面电浆共振结构，而该电极图案作为静电操控电极。
2.如权利要求1所述光学感测芯片，其中该基底可提供一特定的参考拉曼信号以做为参考信号。
3.如权利要求2所述光学感测芯片，其中该绝缘氧化物层的材质包括金属氧化物或氧化硅，而该基底为一硅基底。
4.如权利要求3所述光学感测芯片，其中该金属氧化物包括氧化铝。
5.如权利要求1所述光学感测芯片，其中该绝缘氧化物层厚度为20纳米。
6.如权利要求1所述光学感测芯片，其中该立体聚合物结构为具300纳米直径的聚苯乙烯球。
7.如权利要求1所述光学感测芯片，其中该金属层为厚度20～60纳米的金、银或铜膜。
8.如权利要求1所述光学感测芯片，其中该隔离层材质包括透明的高分子聚合物。
9.如权利要求8所述光学感测芯片，其中该透明的高分子聚合物包括聚二甲基硅氧烷。
10.如权利要求7所述光学感测芯片，其中该电极图案由一底金属层所形成，且该电极图案的位置对应于该立体纳米结构阵列的位置。
11.一种光学感测芯片，包括：
硅基板，提供一特定的拉曼信号可做为参考信号，该硅基板包括一绝缘层、至少一绝缘氧化物层以及位于该至少一绝缘氧化物层下方的一底金属层，其中该底金属层直接位于该绝缘层上，且该至少一绝缘氧化物层共形地覆盖该底金属层的上表面和侧表面；
隔离层，覆盖于该硅基板上，其中该隔离层具有至少一开口；以及
立体纳米结构阵列，位于该硅基板上而该开口暴露出该立体纳米结构阵列，其中该立体纳米结构阵列包括排列成行列的多个立体纳米结构，而任一立体纳米结构至少包括一立体聚合物结构与共形覆盖于该立体聚合物结构上的一金属层。
12.如权利要求11所述光学感测芯片，其中该立体聚合物结构为具300纳米直径的聚苯乙烯球。
13.如权利要求11所述光学感测芯片，其中该金属层为厚度20～60纳米的金、银或铜膜。
14.如权利要求11所述光学感测芯片，其中该隔离层材质包括透明的高分子聚合物。
15.如权利要求14所述光学感测芯片，其中该透明的高分子聚合物包括聚二甲基硅氧烷。
16.如权利要求13所述光学感测芯片，其中该底金属层的位置对应于该立体纳米结构阵列的位置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |