CN1971267A - 波导耦合表面等离子体共振生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其包括一光栅层、一波导层、一等离子体共振层以及一配体层。该光栅层为透光材料且具有周期性的一第一光栅结构，该波导层形成于该第一光栅结构上，该波导层的折射率大于该光栅层的折射率。该等离子体共振层形成于该波导层上，该等离子体共振层可借助光波激发来产生等离子体共振效应。该配体层形成于该等离子体共振层上，该配体层可与待测物质的受体进行结合反应。利用本发明的传感器可建立生物分子间作用分析的平台，以无标记的检测方式，实时测量生化材料分子间的交互作用、反应速率、分子动力学等物理量，以达到高灵敏度的检测效果。

Description

波导耦合表面等离子体共振生物传感器

技术领域

本发明涉及一种生物传感器，特别涉及一种利用光栅以及金属材料建立无须任何标记程序的生物分子间作用分析平台，来实时测量分子间交互作用的物理量的一种波导耦合表面等离子体共振生物传感器。

背景技术

在微量生物分子作用的分析(biomolecular interaction analysis，BIA)中，生物芯片的发展与应用是近代生物技术从基因体学(genomic)跨入蛋白质体学(proteomic)的重要关键技术之一。生物芯片是同时侦测大量基因表现或侦测微量生物分子信息的有利工具，现今的检测仍以荧光检测为主流。然而荧光系统中涉及到繁琐的荧光标记、部分分子标记的困难度、不可避免的荧光衰退及难以实时(real-time)提供交互作用的动力学信息等问题，故无标记(1abel-free)的检测方法有其存在的意义与价值。异常反射光栅现象最早为1902年由R.W.Wood发现，之后许多文献提出各种光栅结构的计算理论及验证，这类的次波长光栅传感器可称为“波导模态共振次波长光栅(guided-mode resonant sub-wavelength grating)”。

美国早期公开专利第20030068657号提出一种比色共振反射(colorimetric resonant reflection)检测法，在分子检测的平台上设计有光栅做为微小分子受体着床之处，光线在经过具有光栅的检测平台后，会反射出某种单一波长的光线。待测物质置于检测平台后用白光照射，由于待测物质中的分子与附着在光栅上的受体结合或反应，改变了入射光在光栅中行进的路径长，而造成反射光波长的变化。利用光谱分析仪分析加入待测物质前后的反射光波长的变化，即可得知物质中是否具有所需的待测分子，可解析厚度极薄的蛋白质厚度，此方法不需要使用侦测荧光的探头，也不需要先使用放射性的标记即可完成物质的检测，但此设计的反射光谱的半腰全宽较宽，其测量上的波长分辨率无法达到足够高的程度，无法轻易进行生理浓度等级的检测。

图1为美国公告专利第6483096号所公开的波导传感器1，其波导层11上具有光栅结构(G)14，而待测物质10是在光栅结构14上。一入射光13进入到该传感器1，由该光栅结构14耦合至该波导层11以形成一耦合光131，该耦合光131与待测物质2作用而激发出具有较长波长的一激发光132。该激发光131与该耦合光132经该光栅结构14而耦出(coupled out)光侦测器可以明确辨识的耦合光1311与激发光1321。该技术借助可调式二极管雷射及锁相放大技术来达到更低的测量极限侦测微量生物分子，但由于可调雷射的波长范围较窄，因此需配合精度较高的角度计，才能使入射波长由正确的角度进入波导产生共振耦合。

综上所述，需要一种高灵敏度的波导生物传感器，来解决公知技术所存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种波导耦合表面等离子体共振生物传感器，以建立生物分子间作用分析平台，可实时测量生化材料分子间的交互作用物理量，达到无须进行任何标记程序即可检测生物分子间的作用的目的。

本发明的另一目的在于提供一种波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其利用光源激发金属表面自由电荷来产生表面等离子体共振现象，达到提升传感器灵敏度的目的。

本发明的又一目的在于提供一种波导耦合表面等离子体共振生物传感器，借助光栅厚度减小至生物分子尺寸时，生物分子越容易破坏芯片的共振效应，得到窄化的反射共振峰，进而达到提升测量分辨率的目的。

为了实现上述目的，本发明提供了一种波导耦合表面等离子体共振生物传感器，包括一光栅层，其为透光材料，该光栅层上具有周期性的一第一光栅结构；一波导层，其形成于该第一光栅结构上，该波导层的折射率大于该光栅层的折射率；一等离子体共振层，其形成于该波导层上，该等离子体共振层可借助光波激发来产生等离子体共振；以及一配体层，其形成于该等离子体共振层上，该配体层可与待测物质的受体进行结合反应。

较佳的是，该等离子体共振层为一金属薄膜层。该金属薄膜层选自于金、白金、以及银所组成的群组。而该金属薄膜层的厚度介于5nm至2μm之间。

该等离子体共振层也可为一金属粒子层，该金属粒子层为数个纳米金属粒子与介电材料的混合层。其中该金属粒子层的厚度介于5nm至2μm之间；该金属粒子的直径介于1nm至2μm之间。而该金属粒子选自于金、白金、以及银所组成的群组。

较佳的是，该等离子体共振层还包括有一金属薄膜层，其形成于该波导层上；以及一金属粒子层，其形成于该金属薄膜层上，该金属粒子层为数个纳米金属粒子与介电材料的混合层。其中，该金属薄膜层选自于金、白金、以及银所组成的群组。而该金属薄膜层的厚度介于5nm至2μm之间。该金属粒子层的厚度介于5nm至2μm之间；该金属粒子的直径介于1nm至2μm之间。而该金属粒子选自于金、白金、以及银所组成的群组。

较佳的是，该波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其还包括有一自组单分子层，该自组单分子层形成于配体层与该等离子体共振层之间。其中该自组单分子层选自于硫氢基(HS)、胺基(NH₂)、醛基(CHO)、羧基(COOH)以及生物素(biotin)所组成的群组。

较佳的是，该波导层的成分可选自于氮化硅、氮化镓、氧化钽、氧化铟锡、砷化铟镓、砷化镓、磷化铟、砷锑化镓、氟化镁、硫化锌、碲化锌、碲化铍锌、硒化镁、铝氮化镓、金或银、硫氢基(HS)、胺基(NH₂)、醛基(CHO)、羧基(COOH)以及生物素(biotin)所组成的群组。

较佳的是，该第一光栅结构的深度与线宽均介于50nm至2μm之间

下面配合附图和具体实施例对本发明的特征作详细说明，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为公知技术的波导耦合传感器示意图；

图2A为本发明波导耦合表面等离子体共振生物传感器的较佳实施例剖面示意图；

图2B为本发明波导耦合表面等离子体共振生物传感器光栅结构示意图；

图3A为本发明波导耦合表面等离子体共振生物传感器的感测示意图；

图3B为检测一特定分子的检测方式说明示意图；

图4A、4B为检测一特定分子所得的零阶反射光谱示意图。

其中，附图标记：

1-波导耦合传感器

10-待测物质

11-波导层

13-入射光

131、1311-耦合光

132、1321-激发光

14-光栅

2-波导耦合表面等离子体共振生物传感器

20-基板

201-第一光栅结构

21-波导层

22-等离子体共振层

221-金属薄膜层

222-金属粒子层

23-自组单分子层

24-配体层

3-介质

31-待测受体

90-入射光

91-反射光

W-线宽

H-深度

具体实施方式

波导耦合表面等离子体共振现象为当平行白光或不同入射角的单色光照射时，只有一窄的波长或特定角度激发出表面等离子体子而产生反射吸收光谱，其中心波长或角度称波导耦合表面等离子体共振波长或角度。当波导耦合表面等离子体共振结构被微量破坏时，如生物分子在表面上的吸附作用造成微些的折射系数或厚度改变时，耦合激发表面等离子体子的光波向量改变，使得共振波长或角度漂移。因此，可在无任何标记下实时动态检测生物分子间的作用情形。此具次波长金属光栅结构的波导耦合表面等离子体共振结构，其生物传感器的灵敏度可增加数倍以上，并可使得传感器的检测程序更为简洁和迅速，方便医护人员或个人家庭使用。

表面等离子体子为金属界面上自由电荷受到外加电磁场的干扰，形成同调式的纵向振荡并沿其界面以电磁波方式传递的物理现象，可借助棱镜或光栅耦合激发光束的反射光谱加以侦测。当入射光与表面等离子体子的波向量达成相互匹配时，将形成表面等离子体共振，可将此视为电磁场在金属界面大幅度强化现象。当达到表面等离子体共振条件时，在反射光强谱中形成反射强度极小现象，而此共振条件将因金属表面上的微量变化而被剧烈改变。表面等离子体共振生物传感器就是利用上述的技术，测量生物分子在金属与液体或气体界面发生交互作用时，所造成界面的微小改变(如生物分子的介电常数及膜厚)，可实现实时无标记的生物交互作用分析。

生物芯片的设计着重于外在生物分子在光栅表面作用时，破坏光波导共振模态的灵敏度，另外，要想提升测量的分辨率，就必须使反射共振峰窄化，因此加入薄光栅波导概念，可得到窄化的反射共振峰。由于光栅厚度减小至生物分子尺寸时，生物分子越容易破坏芯片的共振效应，而且薄光栅所需的波导厚度也较小，所以原则上采用减小光栅厚度的方式加以设计。以严格绕射向量理论为基础，模拟次波长光栅的光学特性，设定光源为垂直入射的平行光计算光波的反射、穿透的绕射效率。

请参考图2A，该图为本发明波导耦合表面等离子体共振生物传感器的较佳实施例剖面示意图。该波导耦合表面等离子体共振生物传感器2，包括：一光栅层20、一波导层21、一等离子体共振层22以及一配体层24。该光栅层20，其为透光材料，且具有周期性的一第一光栅结构201。该波导层21，其形成于该第一光栅结构201上，该波导层21的折射率大于该光栅层20的折射率。该第一光栅结构201的深度H与线宽W均介于50nm至2μm之间(如图2B所示)。在本实施例中，该波导层21的厚度介于5nm至2μm之间。

在本实施例中，该光栅层20为一基板，而该第一光栅结构201形成于该基板的表面上，该基板以透明的介质为主要选择对象，例如石英或玻璃，以蚀刻或压印的方式在表面制作周期性的凹凸结构，并以溅镀、沉积、或压印的方法在其表面结构上制作波导层。该波导层21的折射率比其上下侧的介质折射率大。该波导层21可为氮化硅、氮化镓、氧化钽、氧化铟锡、砷化铟镓、砷化镓、磷化铟、砷锑化镓、氟化镁、硫化锌、碲化锌、碲化铍锌、硒化镁、铝氮化镓、金、银、金属与介质所构成的材料或者是上述材料的任意组合。此外，该波导层也可具有硫氢基(HS)、胺基(NH₂)、醛基(CHO)、羧基(COOH)以及生物素(biotin)或者上述官能基团的任意组合。

该等离子体共振层22，其形成于该波导层21上，该等离子体共振层22可借助光波激发来形成等离子体共振效应。该等离子体共振层22可为一金属薄膜层、一金属粒子层或者是两者皆有的实施方式。在本实施例中，该等离子体共振层22包括有形成于该波导层21上的一金属薄膜层221，并在金属薄膜层221上增镀金属纳米颗粒及介电材料混合的一金属粒子层222，来增强电磁辐射效应，从而提升表面等离子体效应的灵敏度。该金属薄膜层221的厚度介于5nm至2μm之间。该金属粒子层222的厚度介于5nm至2μm之间；该金属粒子的直径介于1nm至2μm之间。至于金属粒子或者是金属薄膜层的材料可以选自于金、白金、以及银所组成的群组。

该配体层24，其形成于该等离子体共振层22上，该配体层24可与待测物质的受体进行结合反应。在本实施例中，该配体层24可根据检测的物质而选定。为了增加固定该配体的效果，可在该等离子体共振层22上建置一自组单分子层23(self assembled monolayer)，来提供易于固定配体层24的官能基或分子。该自组单分子层23选自于硫氢基(HS)、胺基(NH₂)、醛基(CHO)、羧基(COOH)以及生物素(biotin)所组成的群组。

请参考图3A，该图为本发明波导耦合表面等离子体共振生物传感器的感测示意图。将图2A的结构置放于具有待测受体31的一介质3中，进行预定的生物检测程序；该介质3包含水、酒精或空气。入射光90可采用垂直或偏斜入射光源，以在反射方向或穿透方向接收出射光线的方式进行验证。将光信号送至计算机计算其光谱。此波导耦合表面等离子体共振生物传感器2的灵敏度约可比一般次波长光栅波导生物传感器增加一个数量级。

由于传感器2上的配体层24仅会与特定的受体进行结合，因此如果该待测受体31为目标物的话，该待测受体31会与该配体层24进行配合。请参考图3B，如果该介质3中的该待测受体31可与该配体层24进行结合的话，当该入射光90进入到该传感器2时，由于该配体层24与该待测受体31结合之后会对特定的光波长产生吸收的现象，再加上入射光90与该等离子体共振层产生等离子体共振以及波导耦合现象，使特定波长的强度衰减得更加明显，而形成如图4A的结果。在图4A中，纵轴为强度，横轴为波长，从图中可以发现反射光91的光谱上特定的波长强度会明显下降，由此可以得知该待测受体与该配体结合之后，使入射光90的特定波长的强度衰减。反之，如果该待测受体无法与该配体进行结合的话，则会出现如图4B所示的状况。

综上所述，本发明公开的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，利用波导耦合以及等离子体共振效应提升传感器的灵敏度以及分辨率。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (13)

1、一种波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，包括：

一光栅层，其为透光材料，该光栅层上具有周期性的一第一光栅结构；

一波导层，其形成于该第一光栅结构上，该波导层的折射率大于该光栅层的折射率；

一等离子体共振层，其形成于该波导层上，该等离子体共振层可借助光波激发来产生等离子体共振；以及

一配体层，其形成于该等离子体共振层上，该配体层可与待测物质的受体进行结合反应。

2、根据权利要求1所述的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，该等离子体共振层为一金属薄膜层。

3、根据权利要求1所述的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，该等离子体共振层为一金属粒子层，该金属粒子层为数个纳米金属粒子与介电材料的混合层。

4、根据权利要求1所述的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，该等离子体共振层还包括有：

一金属薄膜层，其形成于该波导层上；以及

一金属粒子层，其形成于该金属薄膜层上，该金属粒子层为数个纳米金属粒子与介电材料的混合层。

5、根据权利要求2、3或4所述的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，该金属薄膜层以及该金属粒子的材料分别可选自于金、白金、以及银所组成的群组。

6、根据权利要求2、3或4所述的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，该金属薄膜层以及该金属粒子层的厚度分别介于5nm至2μm之间。

7、根据权利要求3或4所述的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，该金属粒子的直径介于1nm至2μm之间。

8、根据权利要求1所述的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，还包括有一自组单分子层，该自组单分子层形成于该配体层与该等离子体共振层之间。

9、根据权利要求1或8所述的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，该自组单分子层以及该波导层的成分分别可选自于硫氢基、胺基、醛基、羧基以及生物素所组成的群组。

10、根据权利要求1所述的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，该波导层的成分可选自于具有氮化硅、氮化镓、氧化钽、氧化铟锡、砷化铟镓、砷化镓、磷化铟、砷锑化镓、氟化镁、硫化锌、碲化锌、碲化铍锌、硒化镁、铝氮化镓金、银以及金属与介质所构成的材料所组成的群组。

11、根据权利要求1所述的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，该第一光栅结构的深度与线宽均介于50nm至2μm之间。

12、根据权利要求1所述的波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，该波导层的厚度介于5nm至2μm之间。

13、一种波导耦合表面等离子体共振生物传感器，其特征在于，包括：

一光栅层，其为透光材料，该光栅层上具有周期性的一第一光栅结构；

一波导层，其形成于该第一光栅结构上，该波导层的折射率大于该光栅层的折射率；

一等离子体共振层，其形成于该波导层上，该等离子体共振层可借助光波激发来产生等离子体共振，该等离子体共振层为一金属层；以及

一配体层，其形成于该等离子体共振层上，该配体层可与待测物质的受体进行结合反应。

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