TWI384214B - Biological sensing device and its system - Google Patents

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TWI384214B TW097144238A TW97144238A TWI384214B TW I384214 B TWI384214 B TW I384214B TW 097144238 A TW097144238 A TW 097144238A TW 97144238 A TW97144238 A TW 97144238A TW I384214 B TWI384214 B TW I384214B
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Description

生物感測裝置及其系統
本發明是有關於一種生物感測裝置及其系統，特別是有關於一種具定域電漿共振及繞射耦合技術之生物感測裝置及其系統。
目前，自從表面電漿共振(SPR)光譜學係取決於金屬內自由電子電荷密度波之微小改變量的量測結果，以更廣泛的應用於探討面際之間現象，而SPR感測之實驗配置係可應用於一貴重金屬薄膜及一折光物體之平坦表面，其係可使光偏極化為單一波長，如此即可量測內部反射係數。分子間之交互作用扮演一重要的角色，且其亦提供免標記生物感測以探討生物分子間之吸引力。然而，標準的SPR生物感測器係依據出射光之紀錄及量測結果設計，對應最理想的表面電漿結合金屬薄膜係產生入射光束之角度偏移。因此，前述光學配置非常昂貴、不方便且不易微型化。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種生物感測裝置及其裝置，以解決與習知技術有關之問題。
根據本發明之目的，提出一種生物感測裝置，具有一基板、一試樣、至少一光柵、複數個金屬奈米粒子以及一蓋板，該基板含至少一光柵，該試樣含至少一生物分子，而後將該複數個金屬奈米粒子固定於光柵或光柵之另一面上，並覆蓋該蓋板，其中出射光因該試樣折射率變化或與該複數個金屬奈米粒子表面的之生 物分子產生交互作用而產生改變。
根據本發明之另一目的，提出一種生物感測系統，其包含一光源、一生物感測裝置、一偵測平台以及一處理單元，該生物感測裝置包含一基板、一試樣、至少一光柵、複數個金屬奈米粒子以及一蓋板，該基板含至少一光柵，該試樣含至少一生物分子，而後將該複數個金屬奈米粒子固定於光柵或光柵之另一面上，並覆蓋該蓋板，其中出射光因該試樣折射率變化或與該複數個金屬奈米粒子表面的之該生物分子產生交互作用而產生改變。該偵測平台以偵測出射光之繞射角度及/或光強度，並傳送資料給該處理單元。
金屬奈米粒子之一自由電子波之固有共振現象係被稱為定域電漿共振(LPR)，人們係將其發展為一種技術。LPR係決定奈米粒子之集體電荷密度震盪，且可不使用衰減全反射(ATR)以設置一光學配置。類似建立於ATR上之傳統SPR，此共振情況可檢測出四周材料界面間折射率當前的變化以及生物分子在膠體溶液界面之相互作用。因此，藉由使用LPR技術加上一簡單的光學配置可設立一極小之感測器。
LPR技術不需要繁雜的光學系統即可提供一高感度免標記光學生物檢測。在此生物感測器中，一繞射光柵利用壓印、全像術或射出成型之方式以建立於一玻璃或高分子聚合物薄片上。金屬奈米粒子而後固定於光柵或基板另一側上。利用光繞射光柵後的出射光，可藉由一偵測平台偵測光反射式繞射現象產生之角度或 強度之訊號，偵測平台可為一位置靈敏偵檢器或一光強度感應器。此訊號對金屬奈米粒子外在環境折射率改變或金屬奈米粒子表面之生物分子交互作用具有高度靈敏性。請注意，自然界金屬奈米粒子不限於金，其係可為其他貴重金屬奈米粒子。此感測器可藉由簡單的光學設計來製造及建立。更進一步來說，此偵測器可進行現場檢測且不具任何限制條件。
請參閱第1A圖，其係為本發明之生物感測系統之實施例光學配置圖。一光源11係由一雷射裝置發射之雷射光束組成，其係以一入射角θi入射一生物感測裝置12之光柵內以激發表面電漿模態。當入射角在一特定範圍內時，雷射光束係與基板耦合。基板上之光柵係繞射雷射光束係由位於一角度θr之一偵測平台13所量測，此偵測平台13係可為一位置靈敏感測器或一光強度感測器。該偵測平台13接收該生物感測裝置之出射光後產生偵測訊號。由此，該偵測訊號係藉由一處理單元14加以計算並顯示予實驗者觀看，如此即完成整個光學配置之運作流程。同時，該光源11除了如前述之雷射光之外，尚可採用發光二極體(LED)構成。且，該處理單元可為電腦處理器。
請續參閱第1B圖，其係為本發明之生物感測裝置之圖。圖中，生物感測裝置係用以出射一光束以產生至少一出射光，此出射光之繞射角度及/或光強度係由一偵測平台13加以偵測，生物感測裝置係包含一基板15、至少一光柵16、一蓋板17及複數個金屬奈米粒子18。光柵16係形成於該基板15上，金屬奈米粒子18係固定於光柵16之另一側，該基板更包含一波導層。此生物感測裝置係為一具光柵16耦合定域電漿共振(LPR)之結構。其中，此生物感測裝置蓋板17更包含一微流道19以覆蓋金屬奈米粒子 18，金屬奈米粒子18係為一金奈米粒子(gold-nanoparticle)。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。
將三甲氧基硅烷(MPTMS)溶於甲苯溶劑裡，並將基板15浸泡於含有上述MPTMS溶液之瓶子中，修飾基板15的表面。將之取出並放入具有金奈米粒子的溶液中，使金奈米粒子附著在基板15上，以自我組裝的方式形成金奈米粒子薄層於修飾表面上。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)製成之蓋片17具有一微射流通道19，此微射流通道19係設置於基板上具有金奈米粒子改造之側。利用壓印所形成之光柵亦可設置於基板之另一側以達到感測效果。
請續參閱第1C圖，其係為本發明之生物感測裝置之另一實施 例示意圖。平面波導層151，如：溶膠凝膠薄層、濺鍍薄膜或光阻劑薄層塗佈等，其係設置於一基板15上，且光柵16係直接設置於此平面波導層151上。不同種類之金屬奈米粒子18係形成於此些光柵16上。具有一微射流通道19之一蓋板17係設置於晶片上經由金屬奈米粒子18改造之一側。其中，基板15係為玻璃或高分子薄片，金屬奈米粒子18為一貴金屬奈米粒子且其係為金屬奈米粒子，光柵16係為一繞射光柵。
請參閱第2圖，其係為本發明之生物感測系統之折射率-位置之關係圖。此偵測平台13係量測經由生物感測裝置12反射式繞射所產生之出射光，偵測平台13係依據出射光在偵測平台之位置。藉由將金奈米粒子表面浸至於蔗糖溶液中，光因折射率的不同，使位移量產生變化。此偵測平台13係可為位置靈敏感測器(PSD)或光強度感應器。當蔗糖溶液之折射率增加至一特定範圍，在PSD中之反射式繞射光束之位置與折射率作圖，係如第2A圖所示為一線性關係，而反射式繞射光束之光強度，係如第2B圖所示為一線性關係。
請續參閱第3圖，其係為本發明之生物感測系統之光波長-吸收比之曲線圖。修飾金奈米粒子使其具有抗原二硝基苯基團(DNP)之抗原，並更進一步結合反硝基苯抗體(anti-DNP)之後，觀察波長峰值之位移量及峰值吸收比之增加量。其峰值吸收因二硝基苯(DNP)抗原及反硝基苯抗體(anti-DNP)的表面結合，增加其吸收比值。如此光譜之變化係與實際情況一致，金奈米粒子之光譜隨著四周環境之折射率不同產生變化。
請續參閱第4圖，其係為本發明之生物感測系統之反硝基苯 抗體(Anti-DNP)濃度-位移之關係圖。此關係圖係對應反硝基苯抗體濃度範圍。在此濃度範圍內，偵測平台13對抗體之反應曲線係如第4圖所示，並針對X座標值取對數，得一線性關係，如插入圖所示。透過即時檢測可立即得到樣品(sample)之互動資訊。偵測平台13依據濃度的不同使反射式繞射光之位置位移產生變化並即時顯示於相位感測偵測器(PSD)中。
請續參閱第5圖，其係為本發明之生物感測系統之時間-位移之關係圖。經過觀察可得到二硝基苯(DNP)抗原及反硝基苯抗體(anti-DNP)之間所產生之一明確反應。於一注入點51注入反硝基苯抗體(anti-DNP)溶液，約900秒後，生物感應裝置12係發生了明顯的反應變化並回歸至一穩定狀態。經由實驗後所取得之第2圖、第3圖、第4圖及第5圖可得知，生物感測裝置12所繞射之光對金屬奈米粒子外在環境之折射率或此金屬奈米粒子表面之生物分子的交互作用具有高度靈敏性，此出射光最終係由一偵測平台偵測反射式繞射光之強度或位移結果。第6圖係為本發明之生物感測裝置之陣列格式示意圖，由圖中可知，通過一個由複數個光柵所形成之陣列格式即可實現多重檢測之功效。
如此，採用一簡單且符合成本效益之光學配置搭配生物感測裝置以形成一生物感測系統，此生物感測系統係包含一光源、一生物感測裝置、一偵測平台及一處理單元(如第1A圖所示)，如此即可利用生物相互作用之方式分析分析樣品的濃度。此生物感測系統係具有免標記、快速及小量樣品之需求，且其不因雷射光點的縮小而影響其靈敏度，且更可整合生物感測裝置上之微流道以配合大產量之測定。
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。
11‧‧‧光源
12‧‧‧生物感測裝置
13‧‧‧偵測平台
14‧‧‧處理單元
15‧‧‧基板
16‧‧‧光柵
17‧‧‧蓋板
18‧‧‧金屬奈米粒子
19‧‧‧微流道
151‧‧‧光波導平面
51‧‧‧注入點
第1A圖 係為本發明之生物感測系統之實施例光學配置圖；第1B圖 係為本發明之生物感測裝置之實施例示意圖；第1C圖 係為本發明之生物感測裝置之另一實施例示意圖；第2A圖 係為本發明之生物感測系統之折射率-位置之關係圖；第2B圖 係為本發明之生物感測裝系統之折射率-光強度之關係圖；第3圖 係為本發明之生物感測系統之光波長-吸收比之曲線圖；第4圖 係為本發明之生物感測系統之反硝基苯抗體(Anti-DNP)濃度-位移之關係圖；第5圖 係為本發明之生物感測系統之位移-時間之關係圖；以及第6圖 係為本發明之生物感測裝置之陣列格式示意圖。
11‧‧‧光源
12‧‧‧生物感測裝置
13‧‧‧偵測平台
14‧‧‧處理單元

Claims (28)

  1. 一種生物感測裝置，其包含：一基板；一試樣，係包含至少一生物分子；至少一光柵，係形成於該基板上，該光柵係用以反射式繞射一光束以產生至少一出射光，其中，該光束及該出射光皆於該基板之同一側；一蓋板，係包含一微流道，該試樣係置於該微流道上；以及複數個金屬奈米粒子，係固定於該光柵之一側；其中該出射光因該試樣折射率變化或與該複數個金屬奈米粒子表面之該生物分子產生交互作用而產生改變。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測裝置，其中該基板係為玻璃或高分子薄片。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測裝置，其中該金屬奈米粒子係為一貴金屬奈米粒子。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測裝置，其中該金屬奈米粒子係為一金奈米粒子或銀奈米粒子。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測裝置，其中該光柵係為一繞射光柵。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測裝置，其中該金屬奈米粒子覆蓋在該光柵上或光柵之另一側。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測裝置，其中該蓋板覆蓋該金屬奈米粒子。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測裝置，其中該基板更包含一波導層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之生物感測裝置，其中該波導層係為溶膠凝膠薄層、濺鍍薄膜或光阻劑薄層塗佈。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之生物感測裝置，其中該金屬奈米粒子可修飾一辨識單元，以應用在不同物質的檢測上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之生物感測裝置，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。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之生物感測裝置，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)。
  13. 一種生物感測系統，其包含：一光源，係提供一光束； 一生物感測裝置，其包含：一基板；一試樣，係包含至少一生物分子；至少一光柵，係形成於該基板上，該光柵係用以反射式繞射該光束以產生至少一出射光，其中，該光束及該出射光皆於該基板之同一側；一蓋板，係包含一微流道，該試樣係置於該微流道上；以及複數個金屬奈米粒子，係固定於該光柵之一側；一偵測平台，係接收該生物感測裝置之出射光以產生一偵測訊號；以及一處理單元，係電性連接該偵測平台，接收並分析該偵測訊號；其中該出射光因該試樣折射率變化或與該複數個金屬奈米粒子表面之該生物分子產生交互作用而產生改變。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該基板係為玻璃或高分子薄片。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該金屬奈米粒子係為一貴金屬奈米粒子。
  16. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該金屬奈米粒子係為一金奈米粒子或銀奈米粒子。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該偵測平台係可為位置靈敏偵測器或光強度偵測器。
  18. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該光柵係為一繞射光柵。
  19. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該金屬奈米粒子覆蓋在該光柵上或光柵之另一側。
  20. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該蓋板覆蓋該金屬奈米粒子。
  21. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該偵測平台以偵測該出射光之反射角度/或光強度。
  22. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該光源可為一雷射光或一發光二極體(LED)。
  23. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該處理單元可為一電腦處理器。
  24. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該基板更包含一波導層。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之生物感測系統，其中該波導層係為溶膠凝膠薄層、濺鍍薄膜或光阻劑薄層塗佈。
  26. 如申請專利範圍第13項所述之生物感測系統，其中該金屬奈米粒子可修飾一辨識單元，以應用在不同物質的檢測上。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之生物感測系統，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。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之生物感測系統，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)。
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