CN104515740A - 非标定型检测系统及其检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测化学物质的非标定型检测系统及其检测的方法，非标定型检测系统包括：一非标定型检测晶片，其包含多组具有不同周期长度的周期性金属结构；以及一窄频光源。本发明的检测方法简便快速、成本低廉，可直接用肉眼观察，也可进一步进行定性与半定量的分析，非常适用于定点照护检测。

Description

非标定型检测系统及其检测的方法

技术领域

本发明关于一种用于检测化学物质的非标定型检测系统，以及使用前述非标定型检测系统进行非标定型检测的方法。

背景技术

定点照护检测(point-of-care testing，POCT)指在患者接受照护的地点来进行医疗检测，也称为床边检测(bedsite test)。目前普遍应用于定点照护检测的技术之一是横向侧流免疫色谱分析(Lateral-flow immunochromatographic assay or Lateral-flowassay)，这种技术常用于一次性的定性检测，其中最普遍的商业化产品是应用于验孕检测，每年生产验孕试剂的数量高于10⁷剂。如图1所示，典型的横向侧流分析通过表面层的毛细力来传递待测样品，从放置区(sample application pad)经标定物结合区(conjugate release pad)至检测区(detection zone)进行检测辨识，最后抵达吸水区(absorbent pad)。当待测样品(例如一特定抗体)流经标定物结合区时，会与修饰有标定物的抗原结合，而常被使用的标定物为具有颜色或荧光的纳米小球，如胶体金球、量子点、酵素标记、塑胶小球等，且标定物大小约在15至800nm。而在检测区，不同的特定抗体事先被修饰在检测线区(T line)与控制线区(C line)，当待测样品流经此二区，样品内已结合标定物抗原的抗体将与检测区上的抗体结合，因标定物的聚集形成一条线，而控制线区上的抗体将与样品中的标定物抗原结合形成另一条线，所以阳性的检测为两条线。反之，当检测样品内无特定抗体时，则只会在控制线区形成一条线。因此，横向侧流分析通过双线或单线的观察来进行样品定性的分析。此外，也可以通过具有电荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)的相机或平板扫描器及专用软体分析检测线的颜色深浅，以判定待测样品的浓度，进行样品定量分析。

另外，Yanik等人利用周期性纳米金属孔洞结构会产生菲诺共振(Fano resonance)的特性，发展出一种可直接凭借肉眼观察来判定单层生物分子的技术。所谓菲诺共振是由一宽波段的共振与一窄波段的共振系统互相干涉产生的耦合共振现象，其共振波段比一般的共振系统更窄，可提供更高的强度检测灵敏度。Yanik等人使用一白光光源、窄频滤光片及纳米金属孔洞结构晶片来进行检测，在待测样本(如含有抗原的溶液)与晶片上的检测物质(如抗体)结合后，可直接观测吸附分子造成孔洞结构在特定波长的穿透强度变化，如图2所示。此一简易的非标定检测方法通过测量特定波长的穿透强度变化来进行定点照护诊断。

发明内容

本发明提供一种非标定型检测系统及其检测的方法，其中，非标定检测晶片由数个不同周期的金属结构阵列组成，在窄频光源入射后，每个阵列会产生不同共振波长，且这些共振波长的范围涵盖前述窄频光源的波长，之后利用量测晶片上穿透光谱影像的光谱位移量来进行检测。其结果可直接以肉眼判断，也可通过影像感测器转化为数字信号，具有定性与定量的效果。与先前技术相较之下，现有的强度量测法的动态检测范围(dynamic range)由共振波峰的频宽宽窄决定，但本发明的光谱影像量测法的动态检测范围可以通过改变金属结构阵列的周期范围来调变，故其动态检测范围较大。此外，强度检测易受灯源稳定度的影响，而本发明的检测方法观测光谱影像变化，可免除灯源不稳的干扰。

本发明的一目的是提供一种能以肉眼直接观测的非标定型检测系统，其可用于检测化学物质。

本发明的又一目的是提供一种使用如前文所述的非标定型检测系统进行非标定型检测的方法。

为达上述目的，本发明提供一种用于检测化学物质的非标定型检测系统，其包括：一非标定型检测晶片，其包含多组具有不同周期长度的周期性金属结构；以及一窄频光源。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述周期性金属结构选自单层或多层周期性金属孔状结构、或单层或多层周期性金属狭缝结构。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述周期性金属孔状结构为圆形或多边形的孔状结构；较佳者，前述多边形的孔状结构为方形、三角形或长方形。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述周期性金属狭缝结构包括：(a)一透明基板，其包含多组第一周期性凸槽结构(first periodic ridges)，且各组第一周期性凸槽结构具有不同的周期长度；以及(b)一金属层，其包覆前述透明基板，且包括对应前述多组第一周期性凸槽结构的多组第二周期性凸槽结构(second periodic ridges)及多组第三周期性凸槽结构(third periodic ridges)，其中该第二周期性凸槽结构的各凸槽与其所对应的第一周期性凸槽结构的各凸槽之间所形成的凹部结构互相嵌合，而该第三周期性凸槽结构位于其所对应的第一周期性凸槽结构之上。该第二周期性凸槽结构的高度(T2)大于或等于其所对应的第一周期性凸槽结构的高度(T1)(T2≥T1)；或者，当该第二周期性凸槽结构的高度小于其所对应的第一周期性凸槽结构的高度时，则其差值须小于100nm(0≤(T1-T2)≤100nm)。

前述非标定型检测晶片中的第二周期性凸槽结构及第三周期性凸槽结构均为金属狭缝，两者结合后形成一双层纳米金属光栅结构，当偏极光入射时，会产生菲诺共振。可改变金属凸槽结构的周期来调变其共振波长，其所产生的共振波长范围须涵盖入射的窄频光源的波长。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述非标定型检测晶片进一步包含一分子层，该分子层包覆在前述金属层上，且包含一或多种可与前述化学物质结合的分子；更佳者，前述化学物质包含元素、生物分子、聚合物或药物；又更佳者，前述生物分子包含蛋白、DNA或RNA。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述第二周期凸槽结构的高度为数十至数百纳米，狭缝宽度为十至两百纳米。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述第二周期凸槽结构的周期长度为数百纳米至数微米；更佳者，前述第二周期凸槽结构的周期长度为380nm至780nm。金属结构周期的选择由窄频光源的波长决定，在使用波长为532nm、632nm及650nm的激光、或使用LED搭配632nm窄频滤光片所产生的窄频光源时，较佳为选择380nm至780nm作为第二周期凸槽结构的周期长度。前述LED可为白光或红光LED，在使用红光LED灯搭配632nm窄频滤光片时，可消除影像中的蓝色背景光。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述透明基板由玻璃或塑胶材料所制成；更佳者，前述塑胶材料选自压克力、紫外线凝胶、聚碳酸酯、或环烯烃聚合物。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述金属层由选自金、银、铝或铜的材料所制成；更佳者，前述金属层为银。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述光源为窄频光源，其可使用激光、或使用白光搭配激光线窄频滤光片所形成的窄频光源；更佳者，为单一波长的偏极入射光。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述非标定型检测晶片的周期性金属结构所产生的共振波长范围涵盖前述窄频光源的波长。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述非标定型检测系统进一步包含一影像感测器；更佳者，前述影像感测器包含电荷耦合元件(CCD元件)。

本发明另外提供一种使用如前文所述的非标定型检测系统进行非标定型检测的方法，其包括下列步骤：

(a)提供一样本；

(b)将该样本置于前述非标定型检测晶片上，使之覆盖晶片表面；

(c)使光源从前述非标定型检测晶片的透明基板方向正向入射，通过前述多组具有不同周期长度的周期性凸槽结构后分别产生穿透光影像，并组合形成一光谱影像；以及

(d)观测前述光谱影像，以判定该样本中是否含有前述化学物质。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述方法所使用的非标定型检测晶片包括：(a)一透明基板，其包含多组第一周期性凸槽结构，且各组第一周期性凸槽结构具有不同的周期长度；以及(b)一金属层，其包覆前述透明基板，且包括对应前述多组第一周期性凸槽结构的多组第二周期性凸槽结构及多组第三周期性凸槽结构，其中该第二周期性凸槽结构的各凸槽与其所对应的第一周期性凸槽结构的各凸槽之间所形成的凹部结构互相嵌合，而该第三周期性凸槽结构位于其所对应的第一周期性凸槽结构之上。此外，前述样本覆盖该金属层。该第二周期性凸槽结构的高度(T2)大于或等于其所对应的第一周期性凸槽结构的高度(T1)(T2≥T1)；或者，当该第二周期性凸槽结构的高度小于其所对应的第一周期性凸槽结构的高度时，则其差值须小于100nm(0≤(T1-T2)≤100nm)。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述方法所使用的非标定型检测晶片进一步包含一分子层，该分子层包覆在该金属层上，且包含一或多种可与前述化学物质结合的分子；更佳者，前述化学物质包含元素、生物分子、聚合物或药物；又更佳者，前述生物分子包含蛋白、DNA或RNA。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述方法中的步骤(b)和(c)之间进一步包含一清洗步骤。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述方法所使用的光源为窄频光源，其可使用激光、或使用白光搭配激光线窄频滤光片所形成的窄频光源；更佳者，为单一波长的偏极入射光。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述方法所使用的非标定型检测晶片的周期性金属结构所产生的共振波长范围涵盖前述窄频光源的波长。

在本发明的较佳具体实施态样中，前述方法所使用的非标定型检测系统进一步包含一影像感测器；更佳者，前述影像感测器包含电荷耦合元件。

本发明利用化学物质与检测晶片的周期性金属结构表面结合后，会使共振波长产生红移的特性，而使用多组具有不同周期长度的周期性金属光栅来观察穿透光谱影像的红移现象。这样的检测方法简便快速、成本低廉，可直接用肉眼观察，也可进一步进行定性与半定量的分析，非常适用于定点照护检测。

附图说明

图1显示现有横向侧流免疫色谱分析检测技术的原理示意图。

图2显示现有利用高品质纳米孔洞结构的等离子菲诺共振特性来检测生物分子的方法。

图3a-图3c显示本发明的非标定型检测系统与检测方法，其中：

图3a为系统示意图；

图3b为晶片的穿透光谱影像与晶片光谱曲线图；

图3c显示在不同表面条件下，晶片上不同周期长度的周期性凸槽的共振波长与激光波长的相对位置示意图。

图4显示本发明的非标定型检测晶片的制造流程示意图。

图5显示本发明的非标定型检测晶片上的周期性纳米凸槽示意图。

图6为本发明的非标定型检测系统中的激光源与影像感测器示意图。

图7a-图7b显示本发明非标定型检测晶片上具有不同周期长度的周期性凸槽结构在空气环境下的菲诺共振图谱，其中：

图7a使用白光的TM极化波正向入射后，由光纤耦合线性CCD阵列光谱仪所得的穿透光谱图，其上的插图则为使用波长532nm绿光激光正向照射后所得的穿透光谱影像；

图7b为本发明的双层纳米金属光栅结构(即周期性凸槽结构)的周期长度与共振波长的实验值与理论计算值的关系图。

图8a-图8d显示本发明的非标定型检测系统在二氧化硅厚度检测的方法与结果，其中：

图8a为使用本发明的非标定型检测晶片检测不同二氧化硅薄层厚度的方法示意图；

图8b为本发明非标定型检测晶片上具有不同周期长度的周期性凸槽结构在不同二氧化硅薄膜厚度下的穿透光谱影像；

图8c为本发明非标定型检测晶片上具有不同周期长度的周期性凸槽结构在不同二氧化硅薄膜厚度下的穿透光强度与结构周期关系图；

图8d为光谱积分信号与二氧化硅薄膜厚度的对应曲线。

图9a-图9c显示本发明的非标定型检测系统在生物分子检测的方法与结果，其中：

图9a为使用本发明的非标定型检测晶片检测抗原与抗体的方法示意图；

图9b为本发明的非标定型检测晶片在空气、500μg/mL BSA及375μg/mL抗BSA抗体环境下的穿透光谱影像；

图9c为图9b的影像虚线区域中的穿透光强度分布图。

图10a-图10c显示以智能手机记录晶片光谱影像的方法与结果，其中：

图10a为本发明实施例五所使用的非标定型检测系统示意图；

图10b为本发明实施例五所使用的非标定型检测晶片示意图；

图10c为以智能手机撷取的光谱影像。

图11a-图11c显示以穿透式扫描器记录晶片光谱影像的方法与结果，其中：

图11a为本发明实施例六所使用的非标定型检测系统示意图，其使用了穿透式扫描器及一激光线窄频滤光片；

图11b为本发明实施例六所使用的非标定型检测晶片示意图；

图11c以穿透式扫描器撷取的光谱影像。

具体实施方式

图3a是本发明的非标定型检测系统的一具体实施例的示意图，其由一检测晶片、一光源及一影像感测器所组成。本发明所使用的检测晶片是一种等离子晶片，其上包含多组具有不同周期长度的周期性金属光栅。当待测样本(如含有抗原的溶液)覆盖于晶片、或与晶片上可与特定化学物质(如抗原)结合的检测分子(如抗体)反应后，样本中的特定化学物质会与检测分子结合。当单一波长的激光(532nm)通过线偏极板，从晶片下方正向入射时，入射光波会使不同周期长度的周期性金属光栅产生不同的菲诺共振波长，这些菲诺共振波长的分布范围与入射光的波长位置有所重叠，故会在不同的金属结构阵列产生不同的穿透强度，而在晶片上形成穿透光谱影像。可通过CCD元件记录晶片上的穿透光谱影像，如图3b所示。晶片表面原本只有抗体存在，当有抗原吸附在抗体上时，会使各个周期性金属光栅的菲诺共振波长产生红移，而影响入射光(532nm)的穿透强度，如图3c所示。此外，晶片上由不同周期长度(510nm至525nm)的周期性金属光栅所构成的穿透光谱影像也会产生红移，如图3b所示。利用这个方法，除通过CCD元件记录影像外，也可直接用肉眼观测晶片上的穿透光谱影像，或利用智能手机的照相功能(如图10a-图10c)、穿透式扫描器(如图11a-图11c)或其他类似的影像记录器来记录晶片光谱影像，并可利用影像分析软体来进行精确的定量分析。

以下提供的实施例仅进一步阐明本发明，而非以任何方式限制本文所揭露的内容。纵无进一步的阐述，本领域技术人员也可根据此处的说明而充分实施本发明。

实施例：

实施例一，本发明的非标定型检测晶片的制备与系统架设。

可采用多种方式来制备非标定型检测晶片。在本实施例中，采取纳米热压印法来制备本发明的非标定型检测晶片。此方法的示意图见于图4。也可使用其他方式来制备，如热退火辅助基板剥离法。

首先提供一硅基板，使用电子束微影术(e-beam lithography，EBL)与反应式离子刻蚀术(reactive ion etching，RIE)在该硅基板上制作出多组具有不同周期的周期性纳米凹槽结构，作为母模。接着依序将环烯烃聚合物(cyclic olefin polymer，COP)塑胶基板及PET(polyethylene terephthalate)塑胶密封膜覆盖在硅母膜上，放入一压印腔体内，加热腔体基板至170℃，使覆盖于母膜上的塑胶软化。待塑胶软化后，导入氮气于压印腔体内，产生20 kgw/cm²的压力于塑胶上，使母膜上的周期性纳米凹槽结构转印到COP塑胶基板上，形成第一周期性凸槽结构。待硅基板温度降至室温后，再将COP塑胶基板与硅母膜及PET塑胶密封膜分离。最后利用电子枪蒸镀设备或溅镀设备在具有周期性纳米凸槽结构的COP塑胶基板上蒸镀(或溅镀)75nm厚的银膜，即完成本发明的非标定型检测晶片的制备。前述银膜由第二及第三周期性凸槽结构所组成的周期性金属光栅。

在以下实施例中，使用了三种不同的晶片。其中实施例二至四所使用的非标定型检测晶片上共有四组具有不同周期的周期性金属结构阵列，其面积分别为150μm²，阵列间距300μm，金属结构的周期(P)为510nm至525nm，周期间距为5nm，狭缝宽度(W)为60nm。实施例五所使用的晶片上共有十一个阵列结构，其面积分别为150μm²，阵列间距5μm，其周期为615nm至665nm，周期间距为5nm，狭缝宽度为60nm。实施例六所使用的晶片上共有十个阵列结构，其面积分别为150μm²，阵列间距5μm，其周期为440nm至485nm，周期间距为5nm，狭缝宽度为60nm。

本发明的非标定型检测晶片上的周期性纳米凸槽示意图如图5所示。

图6为本发明的非标定型检测系统中的激光源与影像感测器示意图。在下列实施例中，使用一波长532nm的激光当作光源。使激光通过一毛玻璃以破坏激光的同调性，再经过一透镜进行扩束(beam expansion)，接着利用一反射镜使激光通过一线偏极板，使入射光的极化方向垂直于本发明的非标定型检测晶片的第三周期性凸槽结构的狭缝方向(TM Mode)，并照射在晶片上，其穿透光会由另一透镜收光，并由一电荷耦合元件(charge-coupled device,CCD)记录晶片的穿透光谱影像。除了利用CCD记录影像，晶片上的穿透光谱影像也可以直接由肉眼观测，不需额外的量测设备。

实施例二，本发明的非标定型检测系统的周期与波长计算。

本发明的检测晶片中的第二周期性凸槽结构及第三周期性凸槽结构均为金属狭缝，两者结合后形成一双层纳米金属光栅结构(即，金属层)，如图5所示。本发明的检测晶片包含多组具有不同周期长度的周期性凸槽结构，每组周期性凸槽结构各自包含三个纳米凸槽结构，其中第一周期性凸槽结构是由透明基板的基底相同的材质构成的透明凸槽结构，宽度为w，高度为T1。其他两个周期性凸槽结构(第二及第三周期性凸槽结构)则是由金属构成，其中第二周期性凸槽结构与前述透明凸槽结构“咬合”：也即第二周期性凸槽结构中的的各凸槽与其所对应的第一周期性凸槽结构的各凸槽之间所形成的凹部结构互相嵌合。此外，第二周期性凸槽结构的高度(T2)与第三周期性凸槽结构的高度(T3)相同。第三周期性凸槽结构位于其所对应的第一周期性凸槽结构之上。第二周期性凸槽结构的周期长度以P表示。由于光可穿透透明材料，但无法穿透金属。对入射光来说，前述两组金属凸槽结构形成了一系列的“腔体”，它们实质上就是前述透明凸槽结构。也就是说，入射光会被捕捉在这些腔体内。

使用本发明的非标定型检测晶片时，将样本加到双层纳米金属光栅上，使目标化学物质吸附于晶片表面，之后通过清洗步骤移除未结合的目标化学物质。之后使一偏极化的入射光从垂直于晶片方向由下层基板侧入射时，入射光会在前述腔体(I区)中产生局域性等离子共振(localized surface plasmon resonances，LSPR)。此外，当情况符合Bragg条件(Bragg conditions)时，在金属/样本(II区)与金属/基板(III区)界面会分别产生Bloch波表面等离子体极化子(Bloch wave surface plasmonpolaritons，BW-SPP)。LSPR和BW-SPP分别会在穿透光谱中产生一宽波段的共振和一窄波段的共振，它们会耦合形成菲诺共振(Fano resonance)。

LSPR(即腔体共振)的共振条件可由Fabry-Perot腔体公式表示如下：

2n_effk₀h+φ₁+φ₂＝2mπ    (1)

其中n_eff是局域性等离子在前述腔体中的等效折射率，k₀是真空中的波向量，h是狭缝深度(即T1)，φ1及φ2是上下界面的相位移。

至于BW-SPP，当入射光正向入射时，一维周期性狭缝金属表层的表面等离子共振条件(λ₀＝λ_SPR)可以由下式表示：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{SPR}}(n,i)=\frac{P}{i}{\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{n}^2}{{\mathrm{\ϵ}}_m+n^2}\right)}^{1/2}---\left(2\right)$

其中i是共振阶数，P是纳米结构的周期宽度，ε_m是金属的介电常数，n是与金属面接触的环境折射率。

LSPR与BW-SPP会互相干涉耦合，形成包含一共振波峰及一共振波谷的菲诺共振图谱，其共振位置接近公式(2)所预测的共振位置(即λ_SPR，共振波长)。

图7a是在空气环境下，使用白光的TM极化波正向入射本发明的非标定型检测晶片后，使用光纤耦合线性CCD阵列光谱仪(BWTEK，型号BTC112E)所测得的穿透光谱图，其中入射光的电场方向垂直于狭缝方向定义为TM极化波。只有当入射光波具有特定极化方向(TM polarized)时，才能激发纳米金属狭缝内的腔体共振与狭缝间的表面等离子共振。当TM极化波正向入射此晶片时，可观察到数个非对称的菲诺共振光谱。图7a上方插图使用波长532nm的绿光激光正向照射本发明具有四组不同周期长度(510、515、520及525nm)的晶片所得的穿透光谱影像。前述插图的光谱影像可以验证图3中所提的概念，也即利用数个不同周期金属结构阵列组成的晶片可以呈现光谱影像。如图7a所示，周期为510、515、520及525nm的周期性凸槽结构的菲诺共振波峰波长分别为516、519、525及528nm，而其波谷波长分别为533、535、539及543nm。在不同周期的结构所量测到的菲诺共振位置明显与周期成正比，且与公式(2)的理论计算值相当一致，如图7b所示。

实施例三，本发明的非标定型检测系统在二氧化硅厚度检测的应用。

如图8a所示，利用热蒸镀机依序蒸镀不同厚度的二氧化硅薄膜于本发明的非标定型检测晶片上，二氧化硅薄膜的厚度分别为0、5、10、15nm，之后使用CCD分别记录每个厚度的穿透光谱影像，如图8b所示。图8c是相对于图8b的穿透光谱图，其中X轴代表周期性金属凸槽结构的周期长度，Y轴则为穿透光强度。由图8b、图8c可知，穿透光谱会随着二氧化硅薄膜厚度的增加而产生红移。进一步利用光谱积分法的概念，利用下式(3)对图8c的穿透光谱进行光谱分析：

$R\left(h\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left|\frac{I(h,n)-I(h_0,n)}{I(h_0,n)}\right|\×100\%---\left(3\right)$

其中I(h,n)为厚度h、第n个周期性金属结构阵列的穿透光强度，h₀为厚度参考值，N为金属结构阵列总数。在本实施例中，以二氧化硅薄膜厚度为0nm的光谱作为参考光谱，阵列周期为510、515、520、525nm，总数为4。利用式(3)分析后，可得出一积分信号与膜厚对应关系曲线，如图8d所示。积分信号与二氧化硅薄膜厚度存在着指数增加的对应关系。因此，后续可以通过影像回推蒸镀于本发明的非标定型检测晶片上的二氧化硅薄膜厚度，达成定性及定量的分析。

实施例四，本发明的非标定型检测系统在生物分子检测方面的应用。

如图9a所示，在本发明的非标定型检测晶片上制备分子层，并使之与待测化学物质结合。首先将超纯水滴在本发明的非标定型检测晶片的金属层上，使用氮气枪吹干后，使用CCD撷取晶片穿透光谱影像(标示为“空气”)，接着在金属层上加入500μg/Ml的牛血清蛋白(Bovine serum albumin，BSA)(购自Sigma-Aldrich)，静置一小时，使BSA分子吸附于金属表面，再利用超纯水洗去未吸附于金属表面的BSA分子。再次将晶片吹干，并撷取晶片穿透光谱影像(标示为“BSA”)。最后再加入375μg/mL的抗BSA抗体(购自Sigma-Aldrich)，静置两小时，使BSA分子与抗BSA抗体分子反应，再利用超纯水洗去未吸附于BSA的抗BSA抗体分子。再次将晶片吹干，并撷取晶片穿透光谱影像(标示为“抗BSA抗体”)。图9b显示了四种具有不同周期宽度(510、515、520、525nm)的周期性金属光栅在不同表面条件下的穿透影像。很明显地，当单层的BSA生物分子吸附于金属表面，不同周期的周期性凸槽结构分别产生穿透光强度增加与减少的现象，且光谱影像产生红移。而当抗BSA抗体分子与BSA分子结合时，光谱更加红移。图9c则显示了图9b中影像虚线区域的穿透光强度分布图。很明显地，随着生物分子的吸附，晶片光谱产生红移。

实施例五，使用智能手机记录本发明的非标定型检测系统所得的晶片光谱影像。

图10a是使用智能手机记录晶片光谱影像的非标定型检测系统示意图。在本实施例中所使用的窄频光源由一白光LED搭配一632nm激光线窄频滤光片构成。在使用激光作为窄频光源时，会产生光斑，光斑可使激光通过固定转速的转动毛玻璃加以去除，而使用白光LED灯及一窄频滤光片构成的窄频光源也可产生无光斑的均匀穿透影像。而在本实施例中使用的非标定型检测晶片上共有十一个金属结构阵列结构，其周期为615nm纳米至665nm，周期间距为5nm，如图10b所示。

首先使窄频光源正向入射于本发明的非标定型检测晶片，再使用具有塑胶透镜的智能手机记录晶片上的穿透光谱影像，其撷取的光谱影像如图10c所示。图10c的影像有蓝色背景光，可使用红光LED灯搭配一632nm激光线窄频滤光片作为本发明的窄频光源，如此可消除拍摄影像中的蓝色背景光。

实施例六，使用扫描器记录本发明的非标定型检测系统所得的晶片光谱影像。

除了上述的非标定型检测系统，也可使用市面贩售、价格便宜的穿透式扫描器做成一扫描式非标定型检测系统，该系统使用白光LED搭配632nm窄频滤光片作为窄频光源，如所用的扫描器本身即使用窄频光源作为灯源，可直接使用扫描器的窄频光源。

图11a为本实施例中使用的扫描式非标定型检测系统示意图。在本实施例中，非标定型检测晶片上共有十个阵列结构，其周期为440nm至485nm，周期间距为5纳米，如图11b所示，此周期范围的选择可使晶片应用于溶液环境检测。首先放置一632nm激光线窄频滤光片于前述晶片上方，使扫描器中的白光LED光源通过激光线滤光片而产生一窄频光源，使光源入射到晶片上，之后在晶片滴上超纯水，以盖玻片覆盖后，由扫描器中的CCD收光，以扫描的方式记录晶片全部区域的穿透光谱影像，再由电脑记录影像，并分析数据，如图11c所示。

本发明的非标定型检测晶片可根据需求改变阵列周期，而应用在空气环境(如实施例三至六)或溶液环境(如本实施例)进行检测。在本实施例中，因为阵列周期440nm至485nm针对在溶液环境检测的设计，因此在晶片滴上超纯水，以盖玻片覆盖后进行检测。如改变晶片周期结构(如改用实施例五的晶片)，此扫描式非标定型检测系统也可应用在空气环境的检测。晶片的阵列周期也可根据液体的折射率进行调整，而应用在其他液体，不限于纯水。这种扫描式检测系统将具有操作简单、快速分析、价格便宜及可被普遍使用的优势。

本发明提供了一种简易、快速、低成本、非标定检测技术。这个技术无需昂贵的量测设备，可以直接用肉眼观测晶片上光谱影像的变化，在空气环境或溶液环境对待测样品进行定性与半定量的分析。此外，也可以利用智能手机的照相功能、穿透式扫描器与影像分析软体对样品进行精确的定量分析。如果在晶片上修饰多种不同的辨识分子，这个晶片可用来检测多种样品，成为一多功能检测晶片。因此，本发明的非标定型检测技术可应用于生物分子专一性结合检验、浓度分析、亲合性分析、动态分析及高通量检测且适用于定点照护检测与诊断。

Claims (21)

1.一种用于检测化学物质的非标定型检测系统，其特征在于，该非标定型检测系统包括：

一非标定型检测晶片，其包含多组具有不同周期长度的周期性金属结构；以及一窄频光源。

2.如权利要求1所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述周期性金属结构选自单层或多层周期性金属孔状结构、或单层或多层周期性金属狭缝结构。

3.如权利要求2所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述周期性金属孔状结构为圆形或多边形的孔状结构。

4.如权利要求2所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述周期性金属狭缝结构包括：

(a)一透明基板，其包含多组第一周期性凸槽结构，且各组第一周期性凸槽结构具有不同的周期长度；以及

(b)一金属层，其包覆所述透明基板，且包括对应所述多组第一周期性凸槽结构的多组第二周期性凸槽结构及多组第三周期性凸槽结构，其中该第二周期性凸槽结构的各凸槽与其所对应的第一周期性凸槽结构的各凸槽之间所形成的凹部结构互相嵌合，而该第三周期性凸槽结构位于其所对应的第一周期性凸槽结构之上。

5.如权利要求4所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述非标定型检测晶片进一步包含一分子层，该分子层包覆在所述金属层上，且包含一或多种可与所述化学物质结合的分子。

6.如权利要求5所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述化学物质包含元素、生物分子、聚合物或药物。

7.如权利要求6所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述生物分子包含蛋白、DNA或RNA。

8.如权利要求4所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述第二周期凸槽结构的高度为数十至数百纳米。

9.如权利要求4所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述第二周期凸槽结构的周期长度为数百纳米至数微米。

10.如权利要求4所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述透明基板由玻璃或塑胶材料所制成。

11.如权利要求4所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述金属层由选自金、银、铝或铜的材料所制成。

12.如权利要求1所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述光源为窄频光源。

13.如权利要求12所述的非标定型检测系统，其特征在于，所述非标定型检测晶片的周期性金属结构所产生的共振波长范围涵盖所述窄频光源的波长。

14.如权利要求1所述的非标定型检测系统，其特征在于，该非标定型检测系统进一步包含一影像感测器。

15.一种使用如权利要求1所述的非标定型检测系统进行非标定型检测的方法，其特征在于，该非标定型检测的方法包括下列步骤：

(a)提供一样本；

(b)将该样本置于所述非标定型检测晶片上，使之覆盖晶片表面；

(c)使光源从所述非标定型检测晶片的透明基板方向正向入射，通过所述多组具有不同周期长度的周期性凸槽结构后分别产生穿透光影像，并组合形成一光谱影像；以及

(d)观测所述光谱影像，以判定该样本中是否含有所述化学物质。

16.如权利要求15所述的非标定型检测的方法，其特征在于，使用如权利要求3所述的非标定型检测系统，且所述样本覆盖该金属层。

17.如权利要求16所述的非标定型检测的方法，其特征在于，所述非标定型检测晶片进一步包含一分子层，该分子层包覆在该金属层上，且包含一或多种可与所述化学物质结合的分子。

18.如权利要求17所述的非标定型检测的方法，其特征在于，所述化学物质包含元素、生物分子、聚合物或药物。

19.如权利要求15所述的非标定型检测的方法，其特征在于，所述步骤(b)和(c)之间进一步包含一清洗步骤。

20.如权利要求15所述的非标定型检测的方法，其特征在于，所述光源为窄频光源。

21.如权利要求15所述的非标定型检测的方法，其特征在于，所述非标定型检测系统进一步包含一影像感测器。