TW202246756A

TW202246756A - 在金屬表面電漿原理(spp)中透過改變折射率以檢測待測物的方法及生物檢測器

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Publication number: TW202246756A
Application number: TW110119519A
Authority: TW
Inventors: 杜翌群; 文逸施; 穆罕默德
Original assignee: 國立成功大學
Priority date: 2021-05-28
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2022-12-01
Also published as: TWI797631B

Abstract

本發明係有關於一種在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的方法，係在Kretschmann的金屬表面電漿極化原理中，固定一入射光的波長，以及該入射光進入一可變折射率介質之一入射角；之後根據該介電金屬上之不同待測物，改變該可變折射率介質之折射率，藉以使該入射光在固定波長及入射角的條件下，使該介電金屬形成表面電漿極化；該可變折射率介質例如液晶，利用改變溫度或電場的方式改變該液晶之分子排列而改變其折射率。本發明再提供使用上述方法的Kretschmann生物檢測器。

Description

在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的方法及生物檢測器

本發明係有關於一種在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的方法及生物檢測器，特別是指在Kretschmann的金屬表面電漿極化原理中，使入射光在固定波長及入射角的條件下，透過改變折射率使介電金屬形成表面電漿極化(SPP)的發明，並可據以作為生物檢測器使用。

參閱維基百科，表面電漿(Surface Plasmon)是金屬表面電子在電磁波作用下產生集體振盪的現象，有局域表面電漿共振(Local Surface Plasmon Resonance，LSPR)以及表面電漿極化(Surface Plasmon Polariton，SPPs)兩種。

Kretschmann開發一種以光波激發表面電漿的結構，其在稜鏡表面鍍上金屬薄膜，再以入射光波的能量激發金屬薄膜產生表面電漿。而在金屬薄膜表面附加待測物時，需要以不同能量來激發表面電漿，因此可據以將表面電漿(Surface Plasmon)用於生命科學、醫療檢測、藥物篩選、食品檢測、環境監測、法醫鑑定及藥物動力學等檢測用途。

Kretschmann提出金屬表面產生表面電漿(SPP)須滿足表面電漿極化公式(Kretschmann-Varied prism method)：

其中，

為真空下的波向量，

為入射光的波長，n ₁為稜鏡的折射率，

為入射光的入射角，

為分析物材料的介電常數，

為金屬薄膜的實部。

習知的Kretschmann檢測器要檢測不同待測物時，可以透過改變入射光的入射角

(稱為角度觸發響應)或改變入射光的波長

(稱為光譜觸發響應)來實現。

但是使用改變入射光的入射角

的角度觸發響應方式，其入射角需小於90度，因而能夠檢測的物質受限，且要改變入射光的的入射角

需要使用了大型設備來旋轉光發射器及光接收器；而使用改變入射光的波長λ的光譜觸發響應方式，需要使用的多波長的雷射光設備昂貴。

基於前案的缺失，本發明提出一種在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的方法，包括：

在Kretschmann的金屬表面電漿極化原理中，固定一入射光的波長，以及該入射光進入一可變折射率介質之一入射角。根據該介電金屬上之一待測物，使用一控制單元改變該可變折射率介質之折射率，藉以使該入射光在固定之波長及入射角的條件下，使該介電金屬形成表面電漿極化。

本發明再提出一種在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的生物檢測器，該生物檢測器使用上述Kretschmann的金屬表面電漿極化原理，包括：

一可變折射率介質，係可改變折射率；一光發射器，以固定的入射角連接該可變折射率介質，可發出固定波長的一入射光進入該可變折射率介質；一介電金屬，設置在該可變折射率介質上，該介電金屬吸收該入射光後形成表面電漿極化；一光接收器，連接該可變折射率介質，該光接收器接收該入射光接觸該介電金屬後的一反射光；一控制單元，連接該可變折射率介質，以控制該可變折射率介質改變其折射率。

進一步，該可變折射率介質係液晶，該控制單元係溫控單元，並透過溫度控制改變其折射率。

進一步，該可變折射率介質係液晶，該控制單元係導電單元，並透過電場控制改變其折射率。

進一步，該入射光使用之波長介於450奈米至650奈米之間。

根據上述技術特徵可達成以下功效：

本發明在Kretschmann的金屬表面電漿極化原理中，採用固定入射光的入射角及波長，而藉由控制可變折射率介質的折射率來讓介電金屬形成表面電漿極化，稱為折射率觸發響應。

折射率觸發響應中：1.不需使用如同角度觸發響應的大型設備來旋轉光發射器及光接收器，因此也沒有入射角度的限制，待測物的種類不受限。2.因為入射光的波長固定，不需使用昂貴的多波長的雷射光設備。

綜合上述技術特徵，本發明透過在金屬表面電漿原理(SPP)中改變折射率以檢測待測物及生物檢測器的主要功效將可於下述實施例清楚呈現。

參閱第一圖所示，本發明係依據Kretschmann的金屬表面電漿極化原理，本實施例之生物檢測器包括：

一可變折射率介質1。一光發射器2，以固定的入射角連接該可變折射率介質1，本實施例該入射角的角度為68.5度。一介電金屬3，設置在該可變折射率介質1上，本實施例使用厚度為52nm的銀金屬。一光接收器4，連接該可變折射率介質1。一控制單元5，連接該可變折射率介質1，以控制該可變折射率介質1改變其折射率。其中，該可變折射率介質1例如使用液晶，由於液晶的分子排列會因為溫度的變化或電場的變化而改變，因而可改變其折射率，因此該控制單元5可使用溫控單元，並透過溫度控制改變其折射率，或者，該控制單元5可使用導電單元，並透過電場控制改變其折射率。

本實施例之可變折射率介質1採用以下之新型態液晶，其反應式及化學結構如下：

Kretschmann的金屬表面電漿極化原理如下(如先前技術所述)：

該光發射器2發出一入射光進入該可變折射率介質1，該入射光會激發該介電金屬3之表面形成表面電漿極化。由於該介電金屬3上的待測物6不同，需要不同的激發能量，本實施例採用固定入射光的入射角及波長，並根據該介電金屬3上之待測物6，例如DNA、RNA等生物檢體，而使用該控制單元5改變該可變折射率介質1之折射率，藉以使該入射光在固定之波長及入射角的條件下，在該介電金屬3表面形成表面電漿極化。

參閱第二圖所示，在真空環境下(free space)，且該介電金屬3上放置折射率為1.33RIU之待測物時，使用入射光波長630nm，該可變折射率介質1的折射率為1.52RIU時，該介電金屬3有最小的反射率，意謂此時該介電金屬3形成表面電漿極化，而該可變折射率介質1的檢測範圍大約在1.52RIU至1.54RIU之間。參第三圖所示，使用不同波長的入射光對折射率介於1.25RIU至1.36RIU之間的待測物6進行檢測，本實施例之可變折射率介質1可配合不同波長的入射光檢測不同折射率範圍的待測物6，該可變折射率介質1的折射率與不同待測物6之折射率二者大致呈線性關係，其關係式為： n ₁=S _i× n ₃+Intercept

其中，n ₁為該可變折射率介質1的折射率，S _i為靈敏度，n ₃為該待測物6的折射率，Intercept為誤差值。

參閱下表，係該可變折射率介質1的折射率n ₁，靈敏度S _i，該待測物6的折射率n ₃，為誤差Intercept的對應表：

參閱第四圖所示，在該介電金屬3上放置折射率介於1.3RIU至1. 4RIU之間的不同待測物6時，該可變折射率介質1的折射率仍然在1.52RIU至1.54RIU的範圍內，因此本發明之可變折射率介質1可適應大部分的待測物6，而使用角度觸發響應則很難檢測具有如此大範圍折射率的待測物6。

參閱第五圖及第六圖所示，在真空環境下(free space)，且該介電金屬3尚未放置待測物時，使用入射光之波長介於450nm至650nm進行表面電漿極化測試，可發現在不同入射光波長下，該介電金屬3形成表面電漿極化時，該可變折射率介質1的折射率及該介電金屬3的反射率隨著該入射光的波長增加而遞減。在此範圍的入射光波長下，該可變折射率介質1的折射率大約在1.8RIU至1.45RIU之間，是較佳選用的入射光波長範圍。

參閱第七圖所示，係在入射光波長為630nm下，該可變折射率介質1的檢測範圍FIWHM(full index width at half-maximum)與折射率介於1.25RIU至1.36RIU之間的待測物6的關係圖，其中FIWHM只有約0.007的變化，示意了檢測的高精度。參閱第八圖所示，係根據第八圖的檢測範圍FIWHM，將靈敏度除以FIWHM，並定義為FOM，FOM與該待測物6的折射率的關係圖，其中FOM在折射率介於1.25≤n3≤1.36的整個範圍上的值大於40，同樣示意了檢測的高精度。

參閱第九圖所示，係在相同條件下使用折射率觸發響應與習知使用角度觸發響應之靈敏度對比，可發現本發明之折射率觸發響應有較低的誤差範圍，而有相對較高的靈敏度。

綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。

1:可變折射率介質 2:光發射器 3:介電金屬 4:光接收器 5:控制單元 6:待測物

[第一圖]係為本發明實施例之裝置的示意圖。

[第二圖]係為本發明實施例在真空環境中，介電金屬放置折射率為1.33RIU之待測物時，介電金屬的反射率與可變折射率介質的折射率的關係曲線圖。

[第三圖]係為本發明實施例使用不同波長的入射光時，不同待測物的折射率與形成表面電漿極化時的可變折射率介質的折射率的關係曲線圖。

[第四圖]係為本發明實施例在真空環境中，介電金屬上放置不同折射率的待測物時，介電金屬的反射率與可變折射率介質的折射率的關係曲線圖。

[第五圖]係為本發明實施例在真空環境中，介電金屬尚未放置待測物且使用不同波長的入射光時，介電金屬的反射率與可變折射率介質的折射率的關係曲線圖。

[第六圖]係為本發明實施例在真空環境中，介電金屬尚未放置待測物且使用不同波長的入射光使介電金屬形成表面電漿極化時，介電金屬的反射率與可變折射率介質的折射率的關係曲線圖。

[第七圖]係為本發明實施例在入射光波長為630nm下，該可變折射率介質的檢測範圍FIWHM與折射率介於1.25RIU至1.36RIU之間的待測物的關係圖。

[第八圖]係為本發明實施例中，FOM(靈敏度除以FIWHM)與該待測物的折射率的關係圖。

[第九圖]係為本發明使用折射率觸發響應與習知使用角度觸發響應在相同條件下之靈敏度對比圖。

1:可變折射率介質

2:光發射器

3:介電金屬

4:光接收器

5:控制單元

6:待測物

Claims

一種在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的方法，包括有：在Kretschmann的金屬表面電漿極化原理中，固定一入射光的波長，以及該入射光進入一可變折射率介質之一入射角；根據該介電金屬上之一待測物，使用一控制單元改變該可變折射率介質之折射率，藉以使該入射光在固定之波長及入射角的條件下，使該介電金屬形成表面電漿極化。
如請求項1所述在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的方法，其中，該可變折射率介質係液晶，該控制單元係溫控單元，並透過溫度控制改變其折射率。
如請求項1所述在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的方法，其中，該可變折射率介質係液晶，該控制單元係導電單元，並透過電場控制改變其折射率。
如請求項1所述在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的方法，其中，該入射光使用之波長介於450奈米至650奈米之間。
一種在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的生物檢測器，包括有：一可變折射率介質，係可改變折射率；一光發射器，以固定的入射角連接該可變折射率介質，可發出固定波長的一入射光進入該可變折射率介質；一介電金屬，設置在該可變折射率介質上，該介電金屬吸收該入射光後形成表面電漿極化；一光接收器，連接該可變折射率介質，該光接收器接收該入射光接觸該介電金屬後的一反射光；一控制單元，連接該可變折射率介質，以控制該可變折射率介質改變其折射率。
如請求項1所述在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的生物檢測器，其中，該可變折射率介質係液晶，該控制單元係溫控單元，並透過溫度控制改變其折射率。
如請求項1所述在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的生物檢測器，其中，該可變折射率介質係液晶，該控制單元係導電單元，並透過電場控制改變其折射率。
如請求項1所述在金屬表面電漿原理(SPP)中透過改變折射率以檢測待測物的生物檢測器，其中，該入射光使用之波長介於450奈米至650奈米之間。