TWI383139B - Tubular waveguide type plasma resonance sensing device and sensing system - Google Patents

Description

管狀波導式電漿共振感測裝置及感測系統

本發明係為關於一種電漿共振感測裝置及感測系統，特別是應用管狀波導元件作為待測物質載體之表面電漿共振感測系統。

目前，表面電漿共振的現象指的是，當光源以某一固定入射角於金屬表面時，光檢測器檢測到的反射光強度會接近零，也就是金屬膜的反射率近於零，未反射的光將沿著平行界面方向以一定的速度傳播，激發金屬的表面電漿共振，此即為全反射衰逝法(Attenuated Total Reflection：ATR)。

表面電漿共振感測系統係利用上述表面電漿共振之現象所製成的感測系統，因為表面電漿共振感測器具有高靈敏度、無須對待測物質分子做任何標記，可即時地分析分子間的交互作用、檢測速度快、可定量，並可大量平行篩檢等種種優點，因此對於生物分子的檢測上，已有廣泛的應用。

金屬奈米粒子表面上的自由電子雲能受到特定頻率的電磁場所激發，進而以集體式偶極共振之現象反應出來，但此時這些活潑的電子雲卻被侷限在奈米微粒附近，所以又被稱之為定域電漿共振(Localized Plasmon Resonance,LPR)。有趣的是，當金屬奈米粒子感受到環境折射率改變時，此定域電漿共振的頻率與強度也會隨之產生變化。若觀察金屬奈米粒子的吸收光譜，能發 現當環境折射率上升時，其定域電漿共振的吸收波帶會往長波長處位移，並伴隨著吸收度上升的現象；另外若從散射光的特性來觀察，則會發現當環境折射率上升時，其散射光的光譜同樣也會往長波長處偏移，並伴隨著光強度增強的現象。

近幾年來奈米材料的發展愈來愈成為大家研究的焦點，舉凡光電、通訊、醫學儀器等都紛紛加入奈米材料的研究與應用，而奈米材料之所以如此受到青睞，是因為奈米材料提供與原先物質所產生全不同特性之性質。習知技藝係利用目前圓球形金奈米粒子激發出定域電漿共振(Localized Plasmon Resonance：LPR)取代傳統使用金薄膜激發表面電漿共振(Surface Plasmon Resonance：SPR)，從而提高感測器的靈敏度。目前奈米粒子的合成方法已經非常純熟，方法大致上有化學及物理兩種方式。物理的方法有金屬氣化法、雷射侵蝕法、濺鍍法等，其中以金屬氣化法最為常用。化學的方法有還原法、電解法等，其中以還原法最為常用也最為重要。然而科技日新月異，對於感測器靈敏度的需求也不斷提高，因此，將感測器靈敏度作大幅提升，是當前亟欲進行的研究與解決的課題。

有鑑於上述課題，本發明之目的係提出一種利用光波導技術產生多次全反射與反射介面處的漸逝波(Evanescent wave)現象來累積定域電漿共振的能量變化。如先前技術內容所描述，金屬奈米粒子感受到環境 折射率的改變時，其LPR的共振能量也會產生變化，因此其吸收光光譜或是散射光光譜同樣也會受到影響。而在波導現象中，每一次的反射介面處，特定頻率的光能量都會與金屬奈米粒子的LPR現象產生作用。因此當反射次數越多次時，此頻率處的光能量所受到的影響就越明顯。若從光衰逝的特性來看，入射光經多次全反射，使得波導的出光訊號減弱；若從散射光的特性來觀察，則能發現到散射光強度的增加.。綜合而言，藉由全反射現象能累積LPR訊號的變化量，因此也就能達到靈敏度提升之目的了。最後再利用管狀波導定域電漿共振(Localized Plasmon Resonance,LPR)感測單元作為待測物質的盛裝容器，以陣列式方式排設，再搭配光源與光感應元件，便能達到高效率高輸出的感測能力。

為達到上述的目的，本發明提出一種電漿共振感測裝置，包括有：一波導元件，其具有一管狀內壁及一貴金屬奈米粒子層分佈於該管狀內壁表面接觸一待測物質，且引入該入射光與該貴金屬奈米粒子層作用，以判讀該待測物質。

為達到上述的目的，本發明另提出一種電漿共振感測系統，包括有：至少一光源，提供至少一入射光；至少一波導元件，其具有一管狀內壁；一貴金屬奈米粒子層，其分佈於該管狀內壁以接觸一待測物質；至少一光偵測器，用於偵測與該貴金屬奈米粒子層作用後所射出之至少一出射光，以判讀該待測物質；該波導元件引入該入射光與該貴金屬奈米粒子層作用。

承上所述，本發明利用多次全反射的波導現象去累積LPR訊號變化量，藉此提升訊雜比之表現，且由於使用了管狀構形的波導基材，因此有著體積小、構形良好之優點，若以陣列式方式組裝，可開發一種有著高靈敏感測能力，同時兼具高效能輸出的LPR感測技術。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳之實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

以下將參照相關圖式，說明本發明各實施例之電漿共振感測系統，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

請參閱第一圖，第1圖為本發明之管狀波導式電漿共振感測系統之第一實施例示意圖。本實施例之電漿共振感測裝置包括有一波導元件10及一貴金屬奈米粒子層20，該波導元件具有一管狀內壁11，該管狀內壁表面分佈有該貴金屬奈米粒子層20。該波導元件亦係有一封底12，該貴金屬奈米粒子層20係為複數個貴金屬奈米圓球、複數個貴金屬奈米棒或複數個貴金屬奈米殼體所組成。本實施例更包括有一光源30及一光偵測器40，該光源30以單頻光(如LASER)或窄頻光波(如LED)作為一入射光31，並藉由光柵14將入射光引入該波導元件10，該波導元件10為可透光材質所製成，引入該入射光31與該貴金屬奈米粒子層20作用，折射出一出射光39匯集到該光偵測器40。當一待測物質50流經該波導元件10時，該貴 金屬奈米粒子層20接觸該待測物質50會改變該貴金屬奈米粒子層20之LPR的共振能量，最終造成該出射光39訊號之改變。

再請參閱第2A圖，第2A圖為本發明之管狀波導式電漿共振感測系統之第二實施例示意圖。本實施例包括有至少一光源30，提供至少一入射光31；至少一波導元件10，其具有一管狀內壁11及一貴金屬奈米粒子層20分佈於該管狀內壁11表面接觸一待測物質50，且引入該入射光31與該貴金屬奈米粒子層20作用；至少一光偵測器40，用於偵測與該貴金屬奈米粒子層20作用後所射出之至少一出射光39，以判讀該待測物質50。本實施例更包括有至少一第一光纖32設置於該光源30與該波導元件10之間，用於傳導該入射光31射入該波導元件10；更包括一透鏡41及一第二光纖42，該透鏡41收集該出射光39並透過該第二光纖42傳遞該出射光39至該光偵測器40。本實施例之該光源30為一單頻光、一窄頻光或一白光，該波導元件10之一端具有一平面封底12(見第2B圖)，使其用作待測物質之容器亦是感測單元。本實施例中更包括一函數訊號產生器60，用以增進訊號的靈敏度；更包括一鎖相放大器70，用以減低系統雜訊。

再請參閱第3A圖，第3A圖為本發明之管狀波導式電漿共振感測系統之第三實施例示意圖。本實施例之電漿共振感測裝置(見第3B圖)包括有一波導元件10及一貴金屬奈米粒子層20，該波導元件10具有一管狀內壁11及一圓錐狀封閉端13，該貴金屬奈米粒子層20分佈於該管狀 內壁11表面，其中該貴金屬奈米粒子層20更分佈於該圓錐狀封閉端13之內壁表面。本實施例之電漿共振感測系統更包括有至少一光源30，提供至少一入射光31；一波導元件10，其具有一管狀內壁11及一圓錐狀封閉端13；一貴金屬奈米粒子層20，其分佈於該管狀內壁11及該圓錐狀封閉端13內壁表面以接觸一待測物質50；至少一光偵測器40，用於偵測與該貴金屬奈米粒子層20作用後所射出之至少一出射光39，以判讀該待測物質50；該波導元件10引入該入射光31與該貴金屬奈米粒子層20作用。本實施例更包括至少一第一光纖32，用於對該光源30進行處理並傳導該入射光31射入該波導元件10；更包括一函數訊號產生器60，用以增進訊號的靈敏度；更包括一鎖相放大器70，用以減低系統雜訊。

所使用的系統構造如圖3A所示，波導基材是使用玻璃材質，所採用的貴金屬奈米粒子是金奈米圓球，然後利用函數訊號產生器以每秒1000次的電位方波，驅動發光波長為530 nm的LED產生頻率性的發光，最後透過鎖相放大器(Lock-in Amplifier)處理並放大訊號後再由電腦讀出，圖即是以LED為光源時，感測系統對折射率變化的實驗結果，如圖4A所示。光波導的出光訊號會隨著環境折射率的增加而遞減，而且感測器量測到的訊號是以一個平穩的狀態做輸出，系統的雜訊(σ)為1.21′10^-4 V。圖4B是將圖4A的電位訊號對折射率作圖的結果，其光波導出光強度對環境折射率呈現一個良好的線性關係，R值為0.9937，而此線性關係的斜率(m)為 0.398V/RIU。因此我們可以計算出此元件的感測解析度為9.08×10^-4 RIU(我們定義當訊號大小恰巧等於三倍雜訊時為最小可信訊號，而此時對應的折射率之數值即為偵測解析度，若以數學式子表示，偵測解析度=3σ/m也就是3×0.000121÷0.398)。

是於玻璃管內壁的金奈米顆粒上修飾維生素H(biotin)分子，然後針對鏈黴素(streptavidin)進行檢量的實驗結果，其所使用的系統構造如圖3A所示。由圖5A中可以觀測到，當各個不同濃度的樣品注入到玻璃管內後，波導的出光訊號會下降到一定程度後才達到平穩的狀態。這個現象是因為鏈黴素(streptavidin)因為結合到維生素H(biotin)分子上，使得金奈米粒子表面的介電常數漸漸增加，造成LPR吸收譜帶的上升，最終造成波導出光的訊號減弱。而當訊號到達平穩狀態時，即表示結合或辨識反應已達到平衡。最後若分析各個平衡訊號的相對訊號(I/I₀，其中I為樣品訊號，I₀為空白訊號)與濃度對數(log[C])的關係，就能得到圖5B的檢量直線。此時系統的雜訊為4.6×10^-4 V，因此我們可以算出此感測系統對鏈黴素(streptavidin)的偵測極限為5.27×10^-7 g/mL(8.78×10^-9 M)。

再請參閱第6圖，第6圖為本發明第二實施例使用多點光源提供入射光之示意圖。第二實施例中更可提供複數個光源30或複數個第一光纖32從波導元件10各個不同的斷面處將複數個入射光31耦合射入，可提升貴金屬奈米粒子層20之LPR現象對整體出射光的影響，增加感測靈敏 度。

同時使用了七根光纖收集兩顆LED的光訊號，然後再從玻璃管各個不同的斷面處將光耦合進去，以提升金奈米LPR現象對整體出光訊號的影響，希冀能增加感測靈敏度。圖7A為玻璃管內盛裝不同折射率(1.333 RIU~1.403 RIU)的水溶液時，波導感測器的出光強度會隨之減弱。而根據圖7A的結果，我們可以將相對出光訊號值(I/Io)對折射率來作圖，如圖7B，經分析後我們可以得到一線性相當良好的檢量線(R=0.9972)，進而能推算其感測器解析度(Sensor resolution)為1.6×10^-5 RIU，實驗結果證實，利用多光纖耦合的元件架構，的確能有較佳的感測能力。

再請參閱第8圖，此部分實驗中我們同時使用三根光纖收集三個LED的光訊號，並由不同斷面處將光訊號耦合入玻璃管壁(如圖3B)。此項設計因為增加了金奈米粒子之LPR現象對整體出光能量的貢獻，因此理論上亦能提升系統的感測能力。

圖8A即是取各個樣品於平衡時的相對訊號對濃度對數作圖的結果。數據分析的結果顯示，前四個較低濃度的樣品訊號皆屬於雜訊範圍內；此外濃度較高的後四個分析樣品，則可以觀察到有著較佳的線性關係。若我們將之分離，並獨自分析後就能得到下圖8B的線性關係。另外此系統的雜訊是5.7′10^-4V，因此可以推算出其偵測極限為8.56×10^-8 g/mL(1.42×10^-9 M)。

結果顯示使用多個LED系統時，因為激發到更多的金 奈米顆粒，致使LPR現象對整體出光的貢獻變大，因此相較於單LED系統來說，多LED的感測系統對鏈黴素(streptavidin)之偵測極限提升了約十倍左右。

再請參閱第9圖，第9圖為本發明第三實施例使用多個點光源之集合形成之一平面光源進行多組待測物質檢測之示意圖。第二實施例中之光源30更可為平面光源或多個單獨的點光源之集合，同時該複數個波導元件10對應該複數個光偵測器40作陣列排列，該複數個波導元件10承載複數個待測物質50，可同時檢測得多組待測物質之數據，達到高效能輸出的檢測目標。除此之外，各管狀感測單元可依照實際需求進行設計，能同時檢測不同待測物質之組合。

以上各實施例中，該波導元件為可透光材質所製成。該貴金屬奈米粒子層為複數個金奈米粒子、銀奈米粒子或白金奈米粒子所組成。更進一步的，該貴金屬奈米粒子的表面可以修飾上各種辨識單元，該辨識單元係為一化學辨識分子、一抗體(antibody)、一抗原(antigen)、一凝集素(lectin)、一激素受體(hormone receptor)、一核酸(nucleic acid)或一醣類，該辨識單元係用來感測金屬離子、抗體(antibody)、抗原(antigen)、細胞激素(cytokine)、激素受體(hormone)、成長因子(growth factor)、神經胜肽(neuropeptide)、血紅素(hemoglobin)、血漿蛋白(plasma protein)、胺基酸(amino acid)、維生素(vitamin)、核酸(nucleic acid)、碳水化合物 (carbohydrate)、醣蛋白(glycoprotein)、脂肪酸(fatty acid)、磷脂酸(phosphatidic acid)、固醇(sterol)、抗生素(antibiotic)、細胞(cell)、毒素(toxin)、病毒(virus)或細菌(bacterium)，例如修飾上具有螯合能力化學分子時，就可以用來感測特定大小的醣類或金屬離子等等；又例如可以藉由抗體的修飾，感測器便能針對特定的抗原做檢測；相反的，也可以修飾上特定的抗原，以檢測特定的抗體；更例如可以修飾上核醣核酸或是去氧核醣核酸等物質，用以檢測特定序列的遺傳物質；其他諸如醣類的修飾，也能用來細菌檢測之用。

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。

10‧‧‧波導元件

11‧‧‧管狀內壁

12‧‧‧封底

13‧‧‧圓錐狀封閉端

14‧‧‧光柵

20‧‧‧貴金屬奈米粒子層

30‧‧‧光源

31‧‧‧入射光

32‧‧‧第一光纖

39‧‧‧出射光

40‧‧‧光偵測器

41‧‧‧透鏡

42‧‧‧第二光纖

50‧‧‧待測物質

60‧‧‧函數訊號產生器

70‧‧‧鎖相放大器

第1圖為本發明之管狀波導式電漿共振感測系統之第一實施例示意圖。

第2A圖為本發明之管狀波導式電漿共振感測系統之第二實施例示意圖。

第2B圖為本發明第二實施例使用管狀波導裝置承載待測物質之示意圖。

第3A圖為本發明之管狀波導式電漿共振感測系統之第三實施例示意圖。

第3B圖為本發明第三實施例使用圓錐形管狀波導裝置承載待測物質之示意圖。

第4A圖為本發明第三實施例使用圓錐形管狀波導裝置承載待測物質不同折射率之訊號-時間關係圖。

第4B圖為本發明第三實施例使用圓錐形管狀波導裝置承載待測物質之信號-折射率關係圖。

第5A圖管狀波導式電漿共振感測系統之不同濃度之鏈黴素(streptavidin)訊號-時間之關係圖。

第5B圖管狀波導式電漿共振感測系統之相對訊號(I/Io)-濃度對數之關係圖。

第6圖為本發明第二實施例使用多點光源提供入射光之示意圖。

第7A圖為本發明第二實施例管狀波導式電漿感測系統之不同折射率之出光強度-時間關係圖。

第7B圖為本發明第二實施例相對訊號(I/Io)-折射率之關係圖。

第8A圖為本發明第三實施例使用一多點光源取各個樣品於平衡時的相對訊號對濃度對數作圖的結果。

第8B圖為本發明第三實施例使用一多點光源取各個樣品於平衡時的相對訊號對濃度對數作圖的結果。

第9圖為本發明第三實施例使用一平面光源進行多組待測物質檢測之示意圖。

10‧‧‧波導元件

11‧‧‧管狀內壁

12‧‧‧封底

20‧‧‧貴金屬奈米粒子層

30‧‧‧光源

31‧‧‧入射光

32‧‧‧第一光纖

39‧‧‧出射光

40‧‧‧光偵測器

41‧‧‧透鏡

42‧‧‧第二光纖

50‧‧‧待測物質

60‧‧‧函數訊號產生器

70‧‧‧鎖相放大器

Claims (25)

1. 一種定域電漿共振感測裝置，包括有：一管狀波導元件，其具有一管狀內壁，一入射光入射該管狀波導元件之一側並產生多次全內反射，該入射光再由該管狀波導元件相對於該側之另一側出射，該入射光為一單頻光或一窄頻光；以及一包括複數個貴金屬奈米粒子之貴金屬奈米粒子層，分佈於該管狀內壁表面，各該貴金屬奈米粒子為貴金屬，當一待測物質通過該波導元件時，該貴金屬奈米粒子層接觸該待測物質以激發定域電漿共振，最終造成該入射光之一訊號之改變，藉由多次全內反射現象能累積該訊號之變化量，以提升該定域電漿共振感測裝置之靈敏度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之定域電漿共振感測裝置，其中該波導元件具有一封底。
3. 如申請專利範圍第2項所述之定域電漿共振感測裝置，其中該封底係為一平面封閉端或一圓錐狀封閉端。
4. 如申請專利範圍第1項所述之定域電漿共振感測裝置，其中該管狀波導元件為可透光材質所製成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之定域電漿共振感測裝置，其中該貴金屬奈米粒子層係為複數個貴金屬奈米圓球、複數個貴金屬奈米棒或複數個貴金屬奈米殼體所組成。
6. 如申請專利範圍第1項所述之定域電漿共振感測裝置，其中該貴金屬奈米粒子層可修飾一辨識單元，以應用在不同物質的檢測上。
7. 如申請專利範圍第6項所述之定域電漿共振感測裝置，該 辨識單元係為一化學辨識分子、一抗體(antibody)、一抗原(antigen)、一凝集素(lectin)、一激素受體(hormone receptor)、一核酸(nucleic acid)或一醣類。
8. 如申請專利範圍第7項所述之定域電漿共振感測裝置，該辨識單元係用來感測金屬離子、抗體(antibody)、抗原(antigen)、細胞激素(cytokine)、激素受體(hormone)、成長因子(growth factor)、神經胜肽(neuropeptide)、血紅素(hemoglobin)、血漿蛋白(plasma protein)、胺基酸(amino acid)、維生素(vitamin)、核酸(nucleic acid)、碳水化合物(carbohydrate)、醣蛋白(glycoprotein)、脂肪酸(fatty acid)、磷脂酸(phosphatidic acid)、固醇(sterol)、抗生素(antibiotic)、細胞(cell)、毒素(toxin)、病毒(virus)或細菌(bacterium)。
9. 如申請專利範圍第1項所述之定域電漿共振感測裝置，其中該貴金屬奈米粒子層為複數個金奈米粒子、銀奈米粒子或白金奈米粒子所組成。
10. 一種定域電漿共振感測系統，包括有：至少一光源，提供至少一入射光，該入射光為一單頻光或一窄頻光；至少一管狀波導元件，該波導元件具有一管狀內壁，該入射光入射該管狀波導元件並產生多次全內反射；一包括複數個貴金屬奈米粒子之貴金屬奈米粒子層，其分佈於該管狀內壁以接觸一待測物質，各該貴金屬奈米粒子為貴金屬；以及 至少一光偵測器，用於偵測與該貴金屬奈米粒子層作用後所射出之至少一出射光，以判讀該待測物質，該光源設於該管狀波導元件之一側，該光偵測器設於該管狀波導元件相對於該側之另一側；該管狀波導元件引入該入射光與該貴金屬奈米粒子層作用，當該待測物質通過該管狀波導元件時，該貴金屬奈米粒子層接觸該待測物質以激發定域電漿共振，最終造成該入射光之一訊號之改變，藉由多次全內反射現象能累積該訊號之變化量，以提升該定域電漿共振感測系統之靈敏度。
11. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中該至少一光源係為一獨立光源。
12. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中該至少一光源係為複數個點光源所組成。
13. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中該管狀波導元件為可透光材質所製成。
14. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中該波導元件具有一封底。
15. 如申請專利範圍第14項所述之定域電漿共振感測系統，其中該封底係為一平面封閉端或一圓錐狀封閉端。
16. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中該複數個管狀波導元件對應該複數個光偵測器作陣列排列。
17. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中更包括至少一第一光纖，用於對該光源進行處理並傳導該入射光射入該管狀波導元件。
18. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中更包括一透鏡及一第二光纖，該透鏡收集該出射光並透過該第二光纖傳遞該出射光至該光偵測器。
19. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中更包括一函數訊號產生器，用以增進訊號的靈敏度。
20. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中更包括一鎖相放大器，用以減低系統雜訊。
21. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中該貴金屬奈米粒子層可修飾一辨識單元，以應用在不同物質的檢測上。
22. 如申請專利範圍第21項所述之定域電漿共振感測系統，該辨識單元係為一化學辨識分子、一抗體(antibody)、一抗原(antigen)、一凝集素(lectin)、一激素受體(hormone receptor)、一核酸(nucleic acid)或一醣類。
23. 如申請專利範圍第22項所述之定域電漿共振感測系統，該辨識單元係用來感測金屬離子、抗體(antibody)、抗原(antigen)、細胞激素(cytokine)、激素受體(hormone)、成長因子(growth factor)、神經胜肽(neuropeptide)、血紅素(hemoglobin)、血漿蛋白(plasma protein)、胺基酸(amino acid)、維生素(vitamin)、核酸(nucleic acid)、碳水化合物(carbohydrate)、醣蛋白(glycoprotein)、脂肪酸(fatty acid)、磷脂酸(phosphatidic acid)、固醇(sterol)、抗生素(antibiotic)、細胞(cell)、毒素(toxin)、病毒(virus)或細菌(bacterium)。
24. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中該貴金屬奈米粒子層係為複數個貴金屬奈米圓球、複數個貴金屬奈米棒或複數個貴金屬奈米殼體所組成。
25. 如申請專利範圍第10項所述之定域電漿共振感測系統，其中該貴金屬奈米粒子層為複數個金奈米粒子、銀奈米粒子或白金奈米粒子所組成。