CN108508204A - 光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置和方法，乃利用具有高表面与体积比特性的磁珠作为荧光分子的载体，而得到更高的荧光讯号密度，并通过光子晶体的光学特性，使激发光与光子晶体发生共振以增强表面的电场，而提高荧光分子激发荧光讯号的强度，并反射部分原本无法被荧光感测器接收到的荧光讯号，使得磁珠上荧光分子所产生的荧光讯号可显著提升，并使侦测极限降低，同时，可加入聚集磁珠的方式，进一步可达到现有荧光免疫分析法无法达到的侦测能力。

Description

光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置和方法
技术领域
本发明是有关一种荧光免疫检测技术，特别是指一种光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置和方法。
背景技术
利用荧光检测待测物(如蛋白质、DNA等)浓度是现在实验室中最常用的检测方法之一。举例而言，荧光免疫分析法(Immunofluorescence)是相当常见利用抗体来进行量测的一种方法。免疫分析法的原理是利用捕获抗体(capture antibody)与抗原行专一性键结，再用有标定荧光的检测抗体(detection antibody)与抗原键结，之后利用光源激发荧光，经由感测器测得荧光讯号的强度，即可得出抗原的浓度。
虽然荧光讯号的量测具有高灵敏度，但荧光检测极限仍不足，导致分析上常常会遭遇到许多的限制。例如，在量测低浓度的待测物时，荧光讯号的强度过低，其荧光讯号无法被确实的分析，因此以低浓度待测物的量测需求而言，此作法是无法满足的；另外，当待测物的样本体积过低时，因其检测极限的限制，无法利用稀释增加待测物体积，进而导致实验操作过程中因为样本过少造成众多不便，并影响实验的稳定性。
为了进一步降低检测极限，以光学方法提升荧光讯号的强度，或者增加生物载体的表面与体积比(surface to volume ratio)以提升荧光讯号的密度，都是常见的两种技巧。
1、光波导(waveguide)元件与表面电浆共振(surface plasma resonance,SPR)元件：此类光学元件通过引发光的共振，使平面载体(例如，玻璃片或孔盘)上的荧光讯号的强度上升。其荧光讯号强度和一般的荧光免疫量测方法相比可提升数倍，但增强倍数有限，仍无法大幅降低侦测极限。
2、提高载体表面与体积比，以提升荧光讯号的密度：玻璃片或孔盘为常用的平面生物载体，其有限的表面与体积比导致侦测极限为10-50皮克/毫升(pg/mL)左右，使用磁珠与纳米微柱(nanorods)等生物载体通过立体结构提高表面与体积比进而提升荧光讯号的密度，可将荧光讯号提升数倍并降低检测极限，但增强倍数有限，也无法大幅降低侦测极限。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺失，本发明的主要目的在于提供一种光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置和方法，利用光子晶体的光学特性，同时搭配具有高表面与体积比的磁珠作为荧光分子的载体，可以有效的提升荧光讯号强度，并降低侦测极限。
本发明的另一目的在于提供一种光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置和方法，更加上磁珠聚集的方式，进一步可提升荧光讯号的密度，使侦测极限大幅降低。
为实现上述目的，本发明提供一种光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置，包含有一光子晶体(photonic crystal)、至少一磁珠、一光源以及一荧光感测器。其中，磁珠表面键结有多个荧光分子，并位于光子晶体表面上，每一荧光分子结合有一待测生物分子，利光子晶体本身的光学特性，使光源所提供的入射激发光和光子晶体发生共振以增强表面的电场，而进一步激发荧光分子产生一受电场增强的荧光讯号，且藉由荧光感测器接收荧光分子放射至荧光感测器的荧光讯号以及由光子晶体表面所反射的荧光讯号，并处理成一感测影像。
根据本发明的实施例，其中所述待测生物分子的浓度至少为10-3皮克/毫升(pg/mL)。
根据本发明的实施例，其中所述待测生物分子可选自所有可以利用荧光免疫分析方法量测的物质，例如核酸、抗原、抗体、结合蛋白质、植物凝血素、激素受体和小分子化合物等。
根据本发明的实施例，其中所述磁珠的数量可为多个。进一步地，更设置有一磁力装置邻近于磁珠，以将磁珠吸附聚集于光子晶体表面。进一步地，其中所述待测生物分子的浓度至少为10-4皮克/毫升(pg/mL)。
根据本发明的实施例，其中所述光子晶体为共振波导光栅(resonant waveguidegrating)结构。进一步地，其中所述共振波导光栅结构包含有基板、光栅层及波导层；实际应用上，其相对位置并无绝对，只要波导层所形成的模态可以与光栅层具有部分重叠即可。
根据本发明的实施例，其中所述荧光感测器侦测感测影像的多个影像像素，并将这些影像像素中像素值小于一黑平衡值的影像像素判定为0，以消除感测影像中的杂讯。
根据本发明的实施例，更包含一影像处理器，此影像处理器接收感测影像，并根据感测影像分析荧光讯号的强度。
另外，本发明也提供一种光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测方法，其步骤是先提供至少一磁珠，并将多个荧光分子键结于磁珠表面，每一荧光分子结合有一待测生物分子，再将磁珠设置于一光子晶体(photonic crystal)表面上，然后，提供一入射激发光，搭配光子晶体增强的表面电场，而进一步激发荧光分子产生一受电场增强的荧光讯号，再由荧光感测器接收荧光分子放射至荧光感测器的荧光讯号以及由光子晶体表面所反射的荧光讯号，并处理成一感测影像。
根据本发明的实施例，更包含设定一黑平衡值，藉由侦测感测影像的多个影像像素是否小于黑平衡值，并将影像像素中像素值小于黑平衡值的影像像素判定为0，以消除感测影像中的杂讯。
根据本发明的实施例，更包含接收感测影像，并根据感测影像分析荧光讯号的强度。
有别于现有技术中利用光波导元件或是表面电浆共振元件增强荧光，或使用磁珠与纳米微柱(nanorods)等生物载体来降低检测极限，本发明则是藉由光子晶体的导模共振效应来增加荧光讯号的激发，更将四散的荧光讯号有效率的导向荧光感测器以增强荧光讯号，此外，并搭配磁珠的高表面与体积比特性，而获得更高的荧光讯号的强度与密度；进一步地，更可利用聚集磁珠的方式，将荧光讯号的增强比率大幅增加。
底下藉由具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1为本发明所提供的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置的第一实施例的示意图。
图2为本发明所提供的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置的第二实施例的示意图。
图3A和图3B分别为本发明中光子晶体的增强萃取机制的示意图；其中，图3A为无光子晶体的情况，图3B为有光子晶体的情况。
图4为本发明中磁珠上荧光分子键结情形的示意图。
图5A和图5B为本发明使用磁珠聚集方式前后的情况示意图；其中，图5A为磁珠无聚集的情况，图5B为磁珠有聚集的情况。
图6A～图6D依序为本发明进行荧光增强实验中磁珠无聚集的对照组、磁珠聚集的对照组、磁珠无聚集的光子晶体组及磁珠聚集的光子晶体组的示意图。
图7为本发明进行荧光增强实验中量测单颗磁珠上的荧光讯号强度的关系图；其中，上、下两条曲线分别为光子晶体组和对照组，而曲线上的虚线表示其平均值。
图8A和图8B分别为本发明进行荧光增强实验中量测每颗磁珠的平均亮度与抗原浓度的关系；其中，图8A为对照组，图8B为光子晶体组，且●表示磁珠聚集后的实验数据，X表示磁珠聚集前的实验数据。
主要附图标号说明：
10 光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置；
11 光子晶体；
111 基板；
112 光栅层；
113 波导层；
12 磁珠；
13 光源；
14 荧光感测器；
151 荧光分子；
152 待测生物分子；
153 捕捉抗体；
154 抗原；
155 侦测抗体；
16 影像处理器；
171 物镜；
172 分光镜；
173 滤镜；
174 滤镜；
20 光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置；
27 磁力装置。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
请参阅图1，本发明所提供的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置10的第一实施例主要包含有光子晶体(photonic crystal；PC)11、磁珠12、光源13及荧光感测器14。其中，磁珠12表面键结有多个荧光分子151；且荧光分子151与待测生物分子152结合，此待测生物分子152可选自核酸、抗原、抗体、结合蛋白质、植物凝血素、激素受体和小分子化合物等。而磁珠12设置于光子晶体11表面上，并以光源13提供一入射激发光与光子晶体11产生共振，使光子晶体11表面的电场增加，而使荧光分子151随着电场的增加而激发出增强的荧光讯号，且荧光感测器14会接收荧光分子151放射至荧光感测器14的荧光讯号，而往光子晶体11放射的荧光讯号则也被导向荧光感测器14，藉此可使荧光感测器14接受到更多的荧光讯号，得以处理为一感测影像。
本实施例中，光源13所发出的入射激发光是由一物镜171方向照射荧光分子151，亦由物镜171接收荧光讯号，且入射激发光和所收取的荧光讯号是通过分光镜172，将两种光的路径分开，并通过两种滤镜(filter)173、174，减少其互相的干扰。
另外，为了消除感测影像中的背景杂讯，本实施例可对于荧光感测器14所侦测到的感测影像进行黑平衡校正；利用荧光感测器14侦测感测影像的多个影像像素(pixels)的像素值，并设定一黑平衡值，将影像像素中像素值小于此黑平衡值的影像像素判定为0，以消除感测影像中的杂讯。然后，可利用一影像处理器16接收感测影像，并根据感测影像分析磁珠12上荧光讯号的强度。
另外，请参阅图2，本发明所提供的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置20的第二实施例，其结构大致上与前述的第一实施例相同，不同在于使用有多个磁珠12，并邻近于磁珠12设置有一磁力装置27，例如磁铁，而可藉由磁力吸附将磁珠12聚集于光子晶体11表面；而两实施例的其余相同部分则不再赘述。
本发明中，光子晶体11可为一导模共振光栅结构(guided-mode resonance,GMRor resonance waveguide grating,RWG)。如图1所示，一种光子晶体11的导模共振光栅结构是利用于一基板111上形成一低折射率材料的光栅层112，再于光栅层112上形成一高折射率材料的波导层113；其中，基板111可为硅晶片、玻璃或高分子材料等，低折射率材料的光栅层112可为二氧化硅，高折射率材料的波导层113可为有机或无机，例如，二氧化钛(TiO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化锌(ZnO2)、二氧化铪(HfO2)或五氧化二铌(Nb2O5)。更具体而言，一种光子晶体11的导模共振光栅结构包含一个聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate；PET)的基板111，并于基板111上先形成具有光栅结构的紫外光固化胶(Noaland 68)(图中省略未示)，再于紫外光固化胶上镀上适当厚度的二氧化硅的光栅层112和二氧化钛的波导层113。上述实施例中所揭露的光子晶体11的结构仅作为示例，并不以此为限；在实际应用上，针对光子晶体11中各层的相对位置，只要波导层113所形成的模态可以与光栅层112具有部分重叠即可。
本发明的光子晶体11可以藉由适当的尺寸设计，包含光栅周期、深度、占空比(duty cycle)、高折射率层的厚度等，同时选择适当的材料，来达成高、低折射率层的折射率，俾使光子晶体11可以将外来的光耦合到结构的模态，从而激发结构的共振。
以下详细说明有关光子晶体的光学特性以及其荧光增强原理，其中的光学特性主要包括有光子晶体远场效应和光子晶体近场效应。
(一)光子晶体远场效应
光和波导结构共振的结果，称为导膜共振(Guided-mode resonance；GMR)效应。当入射光在特定角度时，某个特定波长刚好会跟波导的导模态(Guided mode)产生相位匹配(phase match)，特定波长的光会被耦合到波导层中传递，但因为有光栅的存在，光波无法永远沿着波导层传递，反而会被光栅再次绕射出去，而形成泄漏模态(leaky mode)，再次耦合出去的光分成两个方向，分别跟零阶绕射光产生不同干涉：反射方向会与零阶反射绕射光产生完全建设性干涉，即反射率为百分之百；穿透方向会与零阶穿透绕射光产生完全破坏性干涉，即没有光能够穿透。这个现象可以由穿透或反射频谱得知。例如，藉由适当尺寸设计以及材料的选择，当一宽频光垂直入射光子晶体，某一特定波长的光将与结构产生共振，而被反射回来，其余的光将会穿透光子晶体，因此可以分别在反射光谱或穿透光谱量测到一个波峰(Peak)或波谷(Dip)的光谱。
(二)光子晶体近场效应
如前所述，特定波长且特定角度的光被耦合到结构的共振模态时，称此时的波长为共振波长，角度为共振角度，光波所带的能量被集中且在波导层中传递，产生的渐逝波会延伸到结构表面，使光子晶体表面的电场有显著的增加。荧光分子发光是因为能阶的跃迁，当施加电场时，荧光分子会被激发至激发态，当荧光分子回到基态时会放出光子并产生荧光讯号，电场强度增加，便可增强荧光分子激发数量及能量，因此荧光分子的放射量跟激发电场强度成正相关。藉由在共振模态及在非共振模态下光子晶体表面电场分布的模拟结果，可以得知当光子晶体被激发共振时，表面电场强度可以倍增强数百倍，相较于在非共振的情况，光子晶体表面的电场并没有被增强。
(三)荧光增强原理
光子晶体增强荧光讯号的原理分为两种，第一种为增强激发(enhancedexcitation)，在上述近场效应中介绍的渐逝波可增强光子晶体表面电场，进而使荧光讯号的激发强度变强；第二种为增强萃取(enhanced extraction)。如图3A所示，若无光子晶体11时，荧光讯号不会与基板111产生任何交互作用。尽管少量的光会经由一般反射(Fresnelreflection)而被荧光感测器(图中予以省略未示)所检测，但大部分的荧光讯号，会往四面八方辐射。如图3B所示，有光子晶体11时，朝光子晶体11放射的部分荧光讯号(符合光子晶体耦合条件)被耦合到光子晶体11的共振模态中，之后再被耦合出来并导向荧光感测器，藉此可以使荧光感测器14接受到更多的荧光讯号，以达到增强萃取。
以下再详细说明本发明藉由荧光增强实验观察所测得的荧光讯号的强度变化，佐证此发明技术的可行性。
一、荧光增强实验方法：
首先，请参照图4，以抗原154作为待测生物分子的一个例子，说明将荧光分子键结于磁珠上的步骤：
1、使用已经修饰捕捉抗体153的磁珠12，与抗原154均匀混和并键结。
2、把多余未键结的抗原154清洗去除。
3、加入侦测抗体155均匀混合并键结后，清洗多余未键结的侦测抗体155。
4、加入荧光分子151均匀混合并键结后，清洗多余未键结的荧光分子151。
5、清洗完成后，将磁珠12保存于缓冲溶液中，等待后续量测。
另外，有关显微镜的黑平衡校正。因周围环境、量测元件及量测电路的关系，荧光显微镜量测到的荧光讯号存在一定程度的杂讯；即没有染上荧光分子的磁珠或背景，在完全没有照射汞灯来激发荧光分子的情形下，应没有荧光讯号，然而由CCD感光元件侦测到的结果却有讯号，为了不让周围环境及电子杂讯影响实验结果，荧光显微镜可设定黑平衡值，在每个影像像素侦测的值如果小于黑平衡值，荧光显微镜就会将此值判定为0，希望藉此可消除周围光源造成的干扰。
此外，请参照图5A和图5B，其绘示本发明使用磁珠12聚集方式前后的情况示意图。如图所示，通过磁铁这一磁力装置27的磁力吸引，能够将原本四散的磁珠12聚集在一起；且经由后续实验可证明磁珠12上的荧光分子151聚集后将能够有效的进一步增强荧光分子151的发光强度。其中，使用的磁铁的残留磁束密度(br)约为14.2-14.8KGs，最大磁能积(BHmax)则约为49-53MGOe；实际应用上，磁力装置27的磁力只要能达到使磁珠12聚集在一起的作用即可。
为了验证光子晶体与磁珠结合以及进一步搭配的磁珠聚集方式皆对荧光增强有帮助，本实验中包括没有光子晶体11的对照组和有光子晶体11的光子晶体组，测量两组间的荧光讯号的强度差异，而两组中再分别量测磁珠12无聚集和磁珠12有聚集的荧光讯号的强度差异；如图6A～图6D，分别表示本发明进行荧光增强实验中磁珠12无聚集的对照组、磁珠12聚集的对照组、磁珠12无聚集的光子晶体组、磁珠12聚集的光子晶体组。
本实验中量测荧光讯号的步骤，包括：
1、调整黑平衡值，使没有磁珠的部分强度都被视为0，以去除杂讯的干扰。
2、抽取已经键结荧光分子的量测样本，滴在玻璃表面，再利用磁铁聚集磁珠(如果是磁珠聚集组)。
3、使用荧光显微镜配合汞灯或荧光扫描器，激发荧光分子并拍下照片。
4、利用影像分析软体得到每颗磁珠的亮度。
二、结果分析：
1)单颗磁珠：对照组与光子晶体组的比较
光子晶体可增强荧光讯号是被许多人所证明过的，但是先前技术皆将光子晶体当作基板并于此基板上直接进行免疫分析法，并未有人将光子晶体应用于磁珠式免疫分析法来增强磁珠的荧光讯号的强度，本发明以单颗磁珠进行分析(以待测生物分子浓度1000pg/mL为例，每颗磁珠面积约20*20pixels)，分别在对照组和光子晶体组的磁珠中以影像分析软体作量测，如图7所示，观察每pixel的强度变化，对照组的平均值为47.62a.u.，光子晶体组的平均值为524.53a.u.，平均讯号增强约11倍，甚至部分pixel在对照组中无法感测到荧光讯号，而光子晶体组则仍可读取到讯号，由此结果可看出光子晶体可明显增强单颗磁珠表面的荧光讯号。
2)多颗磁珠：对照组与光子晶体组各浓度下荧光讯号强度的比较
请参照图8A和图8B，其分别显示对照组和光子晶体组中每颗磁珠的平均亮度与抗原浓度的关系。如图8A所示，以100pg/mL的待测生物分子浓度为例，对照组在磁珠未聚集的情况与聚集后相比，荧光讯号的强度可由178a.u.提升至1476a.u.，提升8倍以上。未聚集磁珠时，可检测到待测生物分子的最低浓度为10pg/ml，通过磁珠聚集将可检测到待测生物分子的最低浓度下降至1pg/mL，侦测极限下降一个数量级，证实磁珠聚集在对照组下的荧光增强能力。
而如图8B所示，光子晶体组在未聚集磁珠的情况下可检测到待测生物分子的最低浓度为10-3pg/mL，通过磁珠聚集可将可检测到待测生物分子的最低浓度下降至10-4pg/mL，也是下降一个数量级，证实磁珠聚集在光子晶体组下同样有增强荧光的能力。
比较图8A和图8B，可发现在1pg/mL的待测生物分子浓度下，对照组的荧光讯号的强度在聚集磁珠的情况下为13a.u.，而光子晶体组在同样聚集的情况下为17458a.u.，上升了1300倍以上。而10-1pg/mL的待测生物分子浓度下，对照组的荧光讯号无论聚集与否已降至0a.u.，光子晶体组则在聚集磁珠的情况下却还有6174a.u.的荧光讯号强度。而对照组在未聚集磁珠的情况下，最低侦测极限约为10pg/mL，使用磁珠聚集增强荧光仅使检测极限降低至1pg/mL。而单单使用光子晶体结合磁珠的光子晶体组，其检测极限可下降至10-3pg/mL等级；若再结合磁珠聚集方式，则其检测极限可达10-4pg/mL，相比使用磁珠聚集的对照组可量测待测生物分子的最低浓度为1pg/mL，检测极限下降四个数量级。实验结果充分证明使用光子晶体结合磁珠载体，再使用磁珠聚集的技巧，可大幅增强荧光讯号达数千倍以上，并将侦测极限降低至10-4pg/mL等级。
综合上述，藉由本发明所揭露的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置和方法，利用光子晶体的特殊光学特性增强荧光分子的激发能力，并有效率的将四散的荧光讯号导向荧光感测器，使荧光分子的强度显著提升，同时，还通过磁珠相较于平面载体更高的表面与体积比，来达到更高的荧光密度，藉此，可将待测生物分子的侦测极限降低到10-3pg/mL，而再加入聚集磁珠的方式，则可更进一步提升荧光密度，并大幅降低待测生物分子的侦测极限到10-4pg/mL。因此，本发明可改善传统荧光免疫分析方法检测能力的不足，非常适合用于进行超低浓度待测物的荧光检测，可望能拓展至生物、化学、医学、食品、环境、农业等多种领域上。
唯以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明申请范围所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本发明的申请专利范围内。

Claims (20)

1.一种光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置，其包含有：
一光子晶体；
至少一磁珠，表面键结多个荧光分子，各该荧光分子结合一待测生物分子，且该磁珠位于该光子晶体表面上；
一光源，提供一入射激发光与该光子晶体发生共振以增强该光子晶体表面的电场，而进一步激发该些荧光分子产生一受该电场增强的荧光讯号；及
一荧光感测器，接收该些荧光分子放射至该荧光感测器的该荧光讯号以及由该光子晶体表面所反射的该荧光讯号，并处理成一感测影像。
2.如权利要求1所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置，其中，该些待测生物分子的浓度至少为10-3皮克/毫升。
3.如权利要求1所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置，其中，该些生物分子选自核酸、抗原、抗体、结合蛋白质、植物凝血素、激素受体和小分子化合物。
4.如权利要求1所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置，其中，该磁珠的数量为多个。
5.如权利要求4所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置，更包含一磁力装置，该磁力装置邻近该些磁珠，将该些磁珠吸附聚集于该光子晶体表面。
6.如权利要求5所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置，其中，该些待测生物分子的浓度至少为10-4皮克/毫升。
7.如权利要求1所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置，其中，该光子晶体为一共振波导光栅结构。
8.如权利要求7所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置，其中，该共振波导光栅结构包含有一基板、一光栅层及一波导层，该光栅层形成于该基板上，该波导层形成于该光栅层上。
9.如权利要求1所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置，其中，该荧光感测器为侦测该感测影像的多个影像像素，并将该些影像像素中像素值小于一黑平衡值的影像像素判定为0，以消除该感测影像中的杂讯。
10.如权利要求1所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测装置，更包含一影像处理器，该影像处理器接收该感测影像，并根据该感测影像分析该荧光讯号的强度。
11.一种光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测方法，其包含下列步骤：
提供至少一磁珠，将多个荧光分子键结于该磁珠表面，各该荧光分子结合一待测生物分子；
将该磁珠设置于一光子晶体(photonic crystal)表面上；
提供一入射激发光与该光子晶体产生共振以增强该光子晶体表面的电场，而进一步激发该些荧光分子产生一受该电场增强的荧光讯号；及
由一荧光感测器接收该些荧光分子放射至该荧光感测器的该荧光讯号以及由该光子晶体表面所反射的该荧光讯号，并处理成一感测影像。
12.如权利要求11所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测方法，其中，该些待测生物分子的浓度至少为10-3皮克/毫升。
13.如权利要求11所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测方法，其中，该些生物分子选自核酸、抗原、抗体、结合蛋白质、植物凝血素、激素受体和小分子化合物。
14.如权利要求11所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测方法，其中，该磁珠的数量为多个。
15.如权利要求14所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测方法，其中，提供该些磁珠的步骤中更包含提供一磁力，将该些磁珠吸附聚集于该光子晶体表面。
16.如权利要求15所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测方法，其中，该些待测生物分子的浓度至少为10-4皮克/毫升。
17.如权利要求11所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测方法，其中，该光子晶体为一共振波导光栅结构。
18.如权利要求17所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测方法，其中，该共振波导光栅结构包含有一基板、一光栅层及一波导层，该光栅层形成于该基板上，该波导层形成于该光栅层上。
19.如权利要求11所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测方法，更包含设定一黑平衡值，藉由侦测该感测影像的多个影像像素是否小于该黑平衡值，并将该些影像像素中像素值小于该黑平衡值的影像像素判定为0，以消除该感测影像中的杂讯。
20.如权利要求11所述的光子晶体与磁珠结合的荧光免疫检测方法，更包含接收该感测影像，并根据该感测影像分析该荧光讯号的强度。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI683085B (zh) 2018-10-12 2020-01-21 國立交通大學 光學位移感測系統
TWI796944B (zh) * 2022-01-28 2023-03-21 國立中山大學 螢光增強基板及螢光檢測裝置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1928561A (zh) * 2006-09-15 2007-03-14 东南大学 基于光子晶体微球的多元免疫检测方法
CN101008609A (zh) * 2006-01-27 2007-08-01 财团法人工业技术研究院 光学波导生物感测装置
CN101339135A (zh) * 2008-08-18 2009-01-07 中国科学院化学研究所 利用光子晶体提高生物检测灵敏度的方法
CN101825629A (zh) * 2009-03-06 2010-09-08 北京工业大学 波导耦合金属光子晶体生物传感器及其检测方法
CN101846674A (zh) * 2010-05-27 2010-09-29 苏州生物医学工程技术研究所 光波导免疫传感器及其检测方法
CN102072891A (zh) * 2009-11-20 2011-05-25 中国科学院化学研究所 金属修饰的光子晶体生物检测薄膜及其制备方法和用途
TW201432246A (zh) * 2013-02-05 2014-08-16 Univ Nat Chiao Tung 螢光增強裝置
CN104931688A (zh) * 2015-04-30 2015-09-23 南开大学 一种微结构光纤生物芯片及其制作方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2102759C1 (ru) 1989-03-29 1998-01-20 Е.И.Дюпон Де Немур Энд Компани Способ обнаружения или количественного определения аналита в образце
GB9314991D0 (en) 1993-07-20 1993-09-01 Sandoz Ltd Mechanical device
DE69505370T2 (de) 1994-05-27 1999-04-01 Novartis Ag Verfahren und sensor zum nachweis abklingend angeregter lumineszenz
US6771376B2 (en) 1999-07-05 2004-08-03 Novartis Ag Sensor platform, apparatus incorporating the platform, and process using the platform
US6531283B1 (en) 2000-06-20 2003-03-11 Molecular Staging, Inc. Protein expression profiling
US7768640B2 (en) 2007-05-07 2010-08-03 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Fluorescence detection enhancement using photonic crystal extraction

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101008609A (zh) * 2006-01-27 2007-08-01 财团法人工业技术研究院 光学波导生物感测装置
CN101008609B (zh) * 2006-01-27 2010-05-12 财团法人工业技术研究院 光学波导生物感测装置
CN1928561A (zh) * 2006-09-15 2007-03-14 东南大学 基于光子晶体微球的多元免疫检测方法
CN101339135A (zh) * 2008-08-18 2009-01-07 中国科学院化学研究所 利用光子晶体提高生物检测灵敏度的方法
CN101339135B (zh) * 2008-08-18 2011-07-27 中国科学院化学研究所 利用光子晶体提高生物检测灵敏度的方法
CN101825629A (zh) * 2009-03-06 2010-09-08 北京工业大学 波导耦合金属光子晶体生物传感器及其检测方法
CN101825629B (zh) * 2009-03-06 2014-03-26 北京工业大学 波导耦合金属光子晶体生物传感器及其检测方法
CN102072891A (zh) * 2009-11-20 2011-05-25 中国科学院化学研究所 金属修饰的光子晶体生物检测薄膜及其制备方法和用途
CN102072891B (zh) * 2009-11-20 2012-04-25 中国科学院化学研究所 金属修饰的光子晶体生物检测薄膜及其制备方法和用途
CN101846674A (zh) * 2010-05-27 2010-09-29 苏州生物医学工程技术研究所 光波导免疫传感器及其检测方法
TW201432246A (zh) * 2013-02-05 2014-08-16 Univ Nat Chiao Tung 螢光增強裝置
CN104931688A (zh) * 2015-04-30 2015-09-23 南开大学 一种微结构光纤生物芯片及其制作方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHRISTOPHER J. HOPKINS ET AL: "Detecting Ricin Using An Immunoassay on Magnetic Nanoparticles on A Photonic Crystal", 《PROQUEST》 *

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