TW201606286A

TW201606286A - 超材料及其生物與化學檢測系統

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Publication number: TW201606286A
Application number: TW103127275A
Authority: TW
Inventors: 嚴大任; 陳政光; 林主恩; 鄭慧雯
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2016-02-16
Also published as: US20160041093A1; TWI525314B

Abstract

　　一種超材料，適於接收一檢測光，檢測光與具有負折射率超材料作用，超材料包括一基板以及至少一單位結構，單位結構形成於基板上，其尺寸係至少小於該檢測光的波長的三分之一。一種生物與化學檢測系統亦一併揭露。

Description

超材料及其生物與化學檢測系統

【0001】

本發明係關於一種超材料及其生物與化學檢測系統，特別係關於一種不需進行標定步驟的超材料及其生物與化學檢測系統。

【0002】

近年來，各種生物與化學檢測系統不斷地被開發出來，且應用的領域也愈來愈廣泛。在眾多的生物與化學檢測技術中，又以生物顯微技術及官能基訊號增強技術為特別重要，例如：共軛焦顯微術、受激放射耗損顯微術或其它生物顯微技術。

【0003】

然而，利用上述該些生物顯微技術進行生物與化學檢測的過程中，皆需執行螢光標定的步驟。螢光標定除了會造成活體細胞的損傷之外，更嚴重的情況可能會影響活體細胞的生理功能。

【0004】

因此，如何提供一種超材料及其生物與化學檢測系統，毋需進行標定步驟，以降低分析物於檢測過程中的損傷，已成為現今重要課題之一。

【0005】

有鑑於上述課題，本發明提供一種超材料及其生物與化學檢測系統，毋需進行標定步驟，以降低分析物於檢測過程中的損傷。

【0006】

為達上述目的，本發明提供一種超材料，適於接收一檢測光，檢測光與負折射率之超材料作用，超材料包括一基板以及至少一單位結構，單位結構形成於基板上，且單位結構的一尺寸係小於檢測光的波長的三分之一。

【0007】

在一實施例中，尺寸係指單位結構在一預設方向上最外側兩端的距離。

【0008】

在一實施例中，更包括複數個單位結構，該些單位結構係呈陣列排列。

【0009】

在一實施例中，單位結構的材料係為一介電材料、一導電材料或其組合。

【0010】

為達上述目的，本發明提供一種生物與化學檢測系統，適於檢測一分析物，生物與化學檢測系統包括一檢測光源以及一超材料，檢測光源提供一檢測光，超材料包括一基板及至少一單位結構，單位結構形成於基板上，且單位結構的一尺寸係小於檢測光的波長的三分之一，檢測光經由超材料射入分析物，並產生一檢測訊號。

【0011】

【0012】

【0013】

【0014】

在一實施例中，檢測訊號係為分析物的一官能基訊號。

【0015】

在一實施例中，檢測訊號係為分析物的一折射率訊號。

【0016】

承上所述，本發明的生物與化學檢測系統利用超材料進行生物檢測，超材料包括一基板以及至少一單位結構，單位結構的尺寸至少小於檢測光波長的三分之一，檢測光經由超材料射入分析物後，會導致局域電場在超材料表面形成共振，並產生一檢測訊號。在一實施例中，該檢測訊號係為分子的官能基訊號。在另一實施例中，該檢測訊號係為分析物內部的折射率訊號（對應於細胞胞器）。

【0017】

利用本發明的生物與化學檢測系統進行生物檢測的過程中，毋需進行標定步驟，即可將分析物內部（如細胞胞器）影像化，不僅可降低分析物於檢測過程中的損傷，同時可透過官能基訊號觀察分析物內部的成份。

【0034】

1‧‧‧超材料
11‧‧‧基板
12、12a、12b、12c、12d、12e、12f‧‧‧單位結構
2‧‧‧檢測光源
3‧‧‧分析物
4‧‧‧接收元件
d1～d10‧‧‧距離
L‧‧‧檢測光
O1、O2、O3‧‧‧切口
R‧‧‧反射光
S1、S2‧‧‧生物與化學檢測系統
T‧‧‧穿透光

【0018】

圖1為本發明之一實施例之超材料的示意圖。
圖2為圖1所示之超材料之單位結構的示意圖。
圖3A至圖3F為圖2所示之單位結構的變化態樣。
圖4為本發明之一實施例之生物與化學檢測系統的架構示意圖。
圖5為本發明之另一實施例之生物與化學檢測系統的架構示意圖。
圖6為本發明之一實施例之檢測訊號之官能基訊號圖。
圖7A為反射式光學顯微影像訊號圖。
圖7B為共軛焦螢光顯微影像訊號圖。
圖7C為本發明之一實施例之檢測訊號之折射率訊號圖。

【0019】

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種超材料及其生物與化學檢測系統，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。於此先說明，本發明所有實施態樣的圖式僅為示意，不代表真實尺寸與比例。

【0020】

圖1為本發明之一實施例之超材料的示意圖。請參考圖1所示，在本實施例中，超材料1包括一基板11以及至少一單位結構（unit cell）12，單位結構12形成於基板11上。舉例來說，單位結構12可藉由電子束蝕刻及掀離製程（E-beam lithographic and lift-off process）形成於基板11上。基板11可例如但不限為矽（Si）基板、二氧化矽（SiO₂ ）基板或二氟化鋇（BaF₂ ）基板。單位結構12的材料可為一介電材料、一導電材料或其組合。

【0021】

單位結構12係為圖案化結構，特別係為隙環結構（split ring structure；SRS），亦或是其結構之延伸具有共振效應的結構。於此，所稱之「隙環結構」可為環狀且具有至少一切口的結構，或是至少具有一節段及一切口的結構。在一些態樣中，該隙環結構更可設計為四重對稱結構，後段將會舉例之。另外，由於導電材料可產生較好的共振效果，因此，單位結構12較佳為導電材料，例如：金屬、半金屬、半導體、超導體、矽化物、碳化物或其它具導電性質的材料，其中又以金（Au）為更佳，這是因為金具有高穩定度及不易氧化等特性，可減少單位結構12與其它物質或環境產生化學反應的機率。

【0022】

在本實施例中，基板11上具有複數個單位結構12，如圖1所示，而該些單位結構12係為陣列排列。各單位結構12之間的間隙可例如為1微米（μm）。事實上，當基板11上各單位結構12之間的間隙愈小，也就是單位結構12的排列密度愈高時，其局域電場所發生的共振強度就愈強。因此，本發明不限制單位結構12的數量，亦不限制各單位結構12之間的間隙大小，其可依實際應用需求進行調整。

【0023】

圖2為圖1所示之超材料之單位結構的示意圖。請參考圖2所示，在本實施例中，單位結構12係為具有一切口O1的口字型結構，材料係為金。然，超材料1（圖1）的單位結構12不限為此，其亦可如圖3A至圖3F或其它各種變化態樣。事實上，單位結構12的形狀、尺寸或其它參數皆可能影響其共振的波段。雖然以上的敘述及對應圖示揭示了單位結構12不同的外形，然，本領域具有通常知識者當知，不同單位結構12的外形並不對本發明的精神造成影響。

【0024】

在本實施例中，單位結構12的尺寸至少小於檢測光的波長的三分之一。於此，「尺寸」係指單位結構12在一預設方向上最外側兩端的距離。而預設方向可為任何一個方向。以圖2而言，單位結構12的尺寸可指其邊長的距離d1或d2，亦可指其對角線的距離d3。以圖3A而言，單位結構12a係為具有一切口O2的圓形結構，其尺寸可指其直徑的距離d4。以圖3B而言，單位結構12b係為具有複數個切口O3的圓形結構，其尺寸可指其直徑的距離d5。以圖3C而言，單位結構12c係為卐形結構，其尺寸可指距離d6。另外，以圖3D而言，單位結構12d的尺寸可指距離d7或d8。以圖3E而言，單位結構12e的尺寸可指距離d9。以圖3F而言，單位結構12f的尺寸可指距離d10。其中，圖3C、圖3E及圖3F所繪示的單位結構12c、12e、12f即為上述所稱之「四重對稱」結構。

【0025】

圖4為本發明之一實施例之生物與化學檢測系統的架構示意圖。請參考圖4所示，在本實施例中，生物與化學檢測系統S1包括一超材料1以及一檢測光源2。檢測光源2提供一檢測光L，其光譜可例如為位於750nm～1400nm的近紅外線區域。超材料1的單位結構12尺寸係小於檢測光L的波長的三分之一，其它同於前述內容，於此不贅述。檢測光源2係設置於基板11之遠離單位結構12的一側，分析物3則係設置於超材料1具有單位結構12的一側，如圖4。在實作上，分析物3可為細胞、組織、結晶、聚合物、生物有機物等。

【0026】

在本實施例中，當檢測光源2所發出的檢測光L射入超材料1後，會導致局域電場在超材料1表面共振，並產生一檢測訊號。在實際應用上，生物與化學檢測系統S1更包括一接收元件4，可例如但不限為感光耦合元件（charge coupled device；CCD）系統或焦點平面陣列（focal planar array；FPA）搭配傅利葉轉換紅外光頻譜系統（FTIR），用以接收該檢測訊號。由於本實施例的接收元件4與檢測光源2係分別設置於超材料1的不同側，因此，此架構係適於量測穿透光T。

【0027】

圖5為本發明之另一實施例之生物與化學檢測系統的架構示意圖。請參考圖5所示，本實施例的生物與化學檢測系統S2與前一實施例（生物與化學檢測系統S1，圖4）不同的是，接收元件4與檢測光源2係設置於相對於超材料1的相同側。當檢測光L射入分析物3後除了會產生穿透光T（如圖4）之外，亦可能產生反射光R，此架構係適於量測反射光R。

【0028】

圖6為本發明之一實施例之檢測訊號之官能基訊號圖，其係利用圖5的生物與化學檢測系統S2對人類骨髓分離之間質幹細胞（human bone marrow-derived mesenchymal stem cells；hMSCs）進行檢測所得。人類骨髓分離之間質幹細胞即為圖5所示之分析物3，圖6右上角的顯微照片即為hMSCs。請一併參考圖5及圖6，由於檢測光L射入超材料1後會導致局域電場在超材料1的表面共振，進而可增強官能基訊號。於此，接收元件4所接收到的檢測訊號可為圖6之官能基訊號，其係以反射頻譜為例。詳言之， hMSC中分子的訊號主要落在波數600－1800（cm^-1 ）（醯胺基團）及波數2800－3200（cm^-1 ）（脂質基團）。於一般情況下，hMSCs的生物訊號或化學成分訊號的強度是弱的，然而，對於生物與化學檢測來說，則需要較強的訊號以利進行分析，因此，藉由超材料1的局域電場共振，我們可以獲得增強的官能基訊號，除了可幫助辨識分析物中的生物與化學成分外，亦可得到確信度較高的訊號。

【0029】

圖7A為反射式光學顯微影像訊號圖，圖7B為共軛焦螢光顯微影像訊號圖，圖7C為本發明之一實施例之檢測訊號之折射率訊號圖。請一併參考圖4，由於局域電場發生共振的超材料1對於環境週遭的折射率相當敏感，因此，接收元件4所接收的檢測訊號可為反應環境折射率的訊號。舉例而言，若分析物3為細胞，生物與化學檢測系統S1可藉由接收元件4接收不同位置的穿透光，以產生對應於細胞內部的胞器的影像訊號，如圖7C。

【0030】

相較於圖7A（反射式光學顯微影像）及圖7B（共軛焦螢光顯微影像），圖7C所示之影像訊號對折射率變化較為靈敏，因此較有利於實驗者觀察細胞內部的胞器。由於本實施例的生物與化學檢測系統S1（圖4）、S2（圖5）在進行檢測的過程中，毋需進行螢光標定步驟，可避免細胞於標定過程中所造成的損傷。

【0031】

綜上所述，本發明的生物與化學檢測系統利用超材料進行生物檢測，超材料包括一基板以及至少一單位結構，單位結構的尺寸至少小於檢測光波長的三分之一，檢測光經由超材料射入分析物後，會導致局域電場在超材料表面形成共振，並產生一檢測訊號。在一實施例中，該檢測訊號係為分子的官能基訊號。在另一實施例中，該檢測訊號係為分析物內部的折射率訊號（對應於細胞胞器）。

【0032】

【0033】

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1‧‧‧超材料

11‧‧‧基板

12‧‧‧單位結構

Claims

【第1項】

一種超材料，適於接收一檢測光，該檢測光與負折射之該超材料作用，該超材料包括：
一基板；以及
至少一單位結構，形成於該基板上，且該單位結構的一尺寸係至少小於該檢測光的波長的三分之一。
【第2項】

如申請專利範圍第1項所述之超材料，其中該尺寸係指該單位結構在一預設方向上最外側兩端的距離。
【第3項】

如申請專利範圍第1項所述之超材料，更包括：
複數個單位結構，該些單位結構係呈陣列排列。
【第4項】

如申請專利範圍第1項所述之超材料，其中該單位結構的材料係為一介電材料、一導電材料或其組合。
【第5項】

一種生物與化學檢測系統，適於檢測一分析物，該生物與化學檢測系統包括：
一檢測光源，提供一檢測光；以及
一超材料，包括：
一基板；及
至少一單位結構，形成於該基板上，且該單位結構的一尺寸係小於該檢測光的波長的三分之一；
其中該檢測光經由該超材料射入該分析物，並產生一檢測訊號。
【第6項】

如申請專利範圍第5項所述之生物與化學檢測系統，其中該尺寸係指該單位結構在一預設方向上最外側兩端的距離。
【第7項】

如申請專利範圍第5項所述之生物與化學檢測系統，其中該超材料更包括複數個單位結構，該些單位結構係呈陣列排列。
【第8項】

如申請專利範圍第5項所述之生物與化學檢測系統，其中該單位結構的材料係為一介電材料、一導電材料或其組合。
【第9項】

如申請專利範圍第5項所述之生物與化學檢測系統，其中該檢測訊號係為該分析物的一官能基訊號。
【第10項】

如申請專利範圍第5項所述之生物與化學檢測系統，其中該檢測訊號係為該分析物的一折射率訊號。