TWI424156B - 光學感測元件之改良方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種光學感測元件之改良方法，尤指一種光學特性提升且適用於分子檢測的光學感測元件之改良方法。
近年來，利用表面電漿共振技術(Surface plasmon resonance，SPR)，將光學感測元件應用於生物分子檢測與膜厚檢測。上述檢測的靈敏度，取決於光學感測元件與其表面批覆的金屬鍍膜之間能否有效配合，達到良好表面電漿共振的效果。不過，以往光學感測元件上的金屬鍍膜，通常有容易脫落的問題，為了解決此問題，一般通常加上其它基材，以期能提高光學感測元件與金屬鍍膜之附著性。
若需將生物分子鍵結於光學感測元件表面之金屬鍍膜時，則需針對金屬鍍膜進行改質。傳統的生物表面改質技術，係將欲改質的光學感測元件，浸泡於11-巰基十一酸(11-mercaptoundecanoic acid，MUA)，達到改質金屬鍍膜的效果。然而，此種浸泡式的化學改質方法，其反應時間過長，且常因改質後金屬鍍膜表面親水性的不夠均勻，而使改質結果大打折扣，無法達到原本預期的效果。
因此，若能夠發展出一種光學感測元件的改良方法，使光學感測元件與金屬鍍膜之間的接合力增強，同時讓整體光學感測元件的光學特性提升，進而提高光學感測元件的靈敏度，如此更有助於提高生物分子檢測時的準確性。
鑒於上述，本發明提供一種光學感測元件之改良方法，包括下列步驟：提供一光學感測元件；酸處理該光學感測元件表面；形成一金屬薄膜於經過酸處理之該光學感測元件表面；以及電漿改質該光學感測元件之該金屬薄膜。
上述本發明改良方法中，酸處理步驟可以清潔光學感測元件表面，同時增加其表面親水性，使後續所形成的金屬薄膜對於光學感測元件具有更強的附著力；再利用電漿改質步驟，可沉積出具有高含量羧基(COO-
)的沉積膜，使光學感測元件的金屬薄膜表面具有更高的親水性，有利於光學感測元件後續進行生物分子固定的步驟。
經過本發明上述改良方法處理的光學感測元件，因其光學特性及靈敏度提升，更可適用於分子檢測。
上述改良方法中，金屬薄膜的種類沒有特別限定，不過為了使光學感測元件有更佳的反應，其可為金薄膜或銀薄膜，一般常用金薄膜。另外，薄膜的厚度亦沒有限制，較佳可為20至80nm之間，例如40±5nm。此外，薄膜的形成方法亦無特別限定，可使用本領域通常知識者常使用的方法，例如電鍍，或者經由奈米金屬球排列成薄膜。
上述改良方法中，酸處理中所使用的酸類亦沒有特別限制，只要能清潔光學感測元件表面並使其表面更為平整，舉例而言，可使用硫酸、鹽酸、硝酸、氫氟酸等。此酸類的濃度及酸處理的時間會依所使用的酸類之腐蝕度而有所更動，沒有特別限制，舉例而言，酸類的濃度可為1%至20%硫酸水溶液，或者5%至15%硫酸水溶液；酸處理的時間可為5秒至10分鐘，或者15秒至5分鐘。此外，酸類濃度與酸處理的時間需要相互配合，同一種酸類若使用低濃度進行酸處理，一般需要較長的處理時間，反之若使用高濃度，則可需要較短的處理時間。
本發明上述改良方法中，適用的光學感測元件沒有特別限制，舉例可為光纖感測元件，本發明後述之實施例係使用側拋型之光纖感測元件。另外，適用的電漿種類也沒有特別限制，只要能夠提供金屬薄膜羧基，或者促使金屬薄膜的親水性提高即可，舉例而言，可使用異丙醇電漿、氧電漿等。對於電漿改質的時間，其亦會隨所使用的電漿種類而有所更動，舉例而言，若使用異丙醇電漿進行改質時，其改質時間可為1分鐘至30分鐘，或者5至15分鐘；施行電漿改質時，瓦數或壓力強度亦須與電漿種類、處理時間相互搭配。
在本發明一應用態樣中，上述改良方法更可包括以下步驟：固定一生物分子於經電漿改質之該光學感測元件的該金屬薄膜。舉例而言，利用蛋白質A或血清白蛋白可與抗體Fc部分(Fc region)結合的特性，將蛋白質A或血清白蛋白做為生物分子固定於金屬薄膜上，後續再提供一抗體與蛋白質A或血清白蛋白結合，如此便可藉由抗體辨識出專一性抗原，因此經過上述步驟處理的光學感測元件，便可經由蛋白質A或血清白蛋白結合之抗體，專一性辨識對應抗原，來檢測特定抗原及其濃度。
在本發明光學感測元件之改良方法中，由於電漿改質的表面均勻度佳，同時可以提供表面與可生物分子鍵結之羧基，故可取代傳統MUA的生物表面改質方法，避免傳統方法表面均勻度不佳的問題。不過，因為光學感測元件表面的親水性會顯著影響電漿改質的效果，所以只單獨使用電漿改質技術的話，光學感測元件表面的親水性高低則會直接影響電漿改質的效果。
因此，本發明先以酸處理的簡易方式，清潔光學感測元件表面且同時改善其表面親水性，使得後續的金屬鍍膜更為平坦且對於光學感測元件的附著度提高，讓光學感測元件表面先行具有良好的親水性後，再結合使用電漿改質，更加改善光學感測元件的光學特性。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
本發明之實施例中該等圖式均為簡化之示意圖。惟該等圖示僅顯示與本發明有關之元件，其所顯示之元件非為實際實施時之態樣，其實際實施時之元件數目、形狀等比例為一選擇性之設計，且其元件佈局型態可能更複雜。
圖1為本實施例光學感測元件的改良方法之流程示意圖，圖2為本實施例光學感測元件的示意圖。
同時參考圖1及圖2，先如圖1(A)提供一光學感測元件。本實施例所使用的光學感測元件如圖2所示，係一種側拋型光纖感測元件，此側拋型光纖感測元件具有一纖殼10、一纖核11、以及一感測區A。接著如圖1(B)，以10%硫酸水溶液處理此感測元件之感測區A表面12，持續30秒，以達到清潔感測元件之感測區A表面12、增加感測區A表面12的親水性之效果。再如圖1(C)進行電鍍製程，以20mtorr、30分鐘將金薄膜13電鍍於經過硫酸水溶液處理的感測區A表面12。
本實施例感測元件之處理製程，完全同於實施例一所述步驟，但完成圖1(C)步驟後，須接續圖1(D)步驟，進行電漿改質，以100mtorr、40W的異丙醇(isopropyl alcohol，IPA)電漿持續2.5分鐘改質金薄膜13，，形成一沉積膜14以提供金薄膜13羧基(COO-
)，而無須傳統MUA的化學改質方法，便讓金薄膜13得以與生物分子進行鏈結。
除了電漿改質的時間為5分鐘之外，本實施例感測元件之其餘製程，完全同於實施例二所述步驟。
除了電漿改質的時間為10分鐘之外，本實施例感測元件之其餘製程，完全同於實施例二所述步驟。
除了電漿改質的時間為15分鐘之外，本實施例感測元件之其餘製程，完全同於實施例二所述步驟。
本實施例之感測元件除了不經過圖1(B)之酸處理步驟之外，其餘處理製程皆同於實施例一所述步驟。
本實施例之感測元件除了不經過圖1(B)之酸處理步驟之外，其餘處理製程皆同於實施例二所述步驟。
本實施例之感測元件除了不經過圖1(B)之酸處理步驟之外，其餘處理製程皆同於實施例三所述步驟。
於實施例一及比較例一之感測元件上，滴上水滴後觀察水接觸角，結果如圖3所示，其中圖3(A)為比較例一之感測元件表面，其水接觸角約為59度；圖3(B)為實施例一之感測元件表面，其水接觸角約為23度。由此可見，未經過酸處理的水接觸角遠遠大於經過酸處理，此即表示光學元件表面的親水性在經過酸處理後提升。
使用原子力電子顯微鏡(atomic force microscope，AFM)及電腦圖像分析軟體，觀察實施例一及比較例一之感測元件，結果如圖4A、4B所示，其中圖4A為比較例一之感測元件表面，其Z範圍為13.224nm、Rms(Rq)為1.475nm、平均粗糙度為(Ra)為1.151nm；圖4B為實施例一之感測元件表面，其Z範圍為8.349nm、Rms(Rq)為0.897nm、平均粗糙度為(Ra)為0.715nm。由此可知，相較於未經過酸處理的比較例一，經過酸處理的實施例一之粗糙度明顯降低，表示酸處理可使感測元件表面的平坦度提高，增加感測元件與金薄膜之間的鍵結度。
準備20%之葡萄糖水溶液及去離子水，使用實施例一及比較例一之感測元件進行測試，結果如圖5A及圖5B所示，其中圖5A為比較例一之感測元件的測試光譜圖，圖5B為實施例一之感測元件的測試光譜圖。由此光譜圖可知，
相較於未經過酸處理的比較例一，經過酸處理的實施例一，其雜訊低且分辨性佳。
準備20%之葡萄糖水溶液，使用實施例二至五及比較例一至三之感測元件進行測試，結果如圖6A至圖6F所示，其中圖6A為比較例一與比較例二兩者之測試光譜圖，圖6B為比較例一與比較例三兩者之測試光譜圖，圖6C為比較例一與實施例二兩者之測試光譜圖，圖6D為比較例一與實施例三兩者之測試光譜圖，圖6E為比較例一與實施例四兩者之測試光譜圖，圖6F為比較例一與實施例五兩者之測試光譜圖。對照圖6A與圖6C，可知經過酸處理以及2.5分鐘電漿改質的實施例二，其與比較例一吸光值之差異以及波長的偏移度，皆高於沒有經過酸處理但經過2.5分鐘電漿改質的比較例二。對照圖6B與圖6D，可知經過酸處理以及5分鐘電漿改質的實施例三，其與比較例一吸光值之差異以及波長的偏移度，皆高於沒有經過酸處理但經過5分鐘電漿改質的比較例三。對照圖6C至圖6F，可知經過酸處理以及2.5、5、10、15分鐘電漿改質的實施例二至實施例五，隨著電漿改質時間增加，與比較例一吸光值之差異以及波長的偏移度皆明顯提升且有線性遞增的現象，由此可知電漿改質前有無先進行酸處理會大大影響光學感測元件的光學特性，同時影響光學感測元件對於分子檢測的靈敏性。
圖7為光學感測元件經本發明改良方法處理後，進行生物分子固定的流程示意圖，圖8為改良後且經過生物分子固定之光學感測元件的示意圖。
同時參考圖7及圖8，如同實施例二所述步驟，使光學感測元件20經過(B)酸處理、(C)電鍍金薄膜21、(D)電漿改質提供羧基22之後，再利用本領域通常知識者固定生物分子的方法，藉由羧基22將蛋白質A 23固定於光學感測元件20上，後續再加入特定單株抗體24，使單株抗體24與蛋白質A 23結合，如此便可藉由抗體-抗原的專一性辨識，檢測特定抗原25存在與否。
由上述可知，經過本發明改良方法處理之光學感測元件，可具有更佳的光學特性，因此對於分子的靈敏度提高，若先行建立出分子種類及濃度的數據庫，則可直接用來進行分子檢測以及濃度測定，使檢測科學不受元件裝置本身的干擾影響而更能精確判定分子種類及濃度。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
A．．．感測區
10．．．纖殼
11．．．纖核
12．．．感測區表面
13．．．金薄膜
14．．．沉積膜
20．．．光學感測元件
21．．．電鍍金薄膜
22．．．羧基
23．．．蛋白質A
24．．．單株抗體
25．．．抗原
圖1係本發明實施例一光學感測元件的改良方法之流程示意圖。
圖2係本發明實施例一光學感測元件的示意圖。
圖3係本發明測試例一之水滴測試結果，其中(A)為比較例一之感測元件的水滴測試照片，(B)為實施例一之感測元件的水滴測試照片。
圖4A為本發明測試例二之粗糙度測試中，比較例一之感測元件表面的AFM照片。
圖4B為本發明測試例二之粗糙度測試中，實施例一之感測元件表面的AFM照片。
圖5A係本發明測試例三之分子檢測中，比較例一之感測元件的測試光譜圖。
圖5B係本發明測試例三之分子檢測中，實施例一之感測元件的測試光譜圖。
圖6A係本發明測試例四之葡萄糖分子檢測中，比較例一與比較例二兩者之測試光譜圖。
圖6B係本發明測試例四之葡萄糖分子檢測中，比較例一與比較例三兩者之測試光譜圖。
圖6C係本發明測試例四之葡萄糖分子檢測中，比較例一與實施例二兩者之測試光譜圖。
圖6D係本發明測試例四之葡萄糖分子檢測中，比較例一與實施例三兩者之測試光譜圖。
圖6E係本發明測試例四之葡萄糖分子檢測中，比較例一與實施例四兩者之測試光譜圖。
圖6F係本發明測試例四之葡萄糖分子檢測中，比較例一與實施例五兩者之測試光譜圖。
圖7係本發明應用例一中，本發明改良方法後接生物分子固定的流程示意圖。
圖8係本發明應用例一中，經改良與生物分子固定之光學感測元件的表面示意圖。
Claims (14)
- 一種光學感測元件之改良方法，包括下列步驟：提供一光學感測元件；酸處理該光學感測元件表面；形成一金屬薄膜於經過酸處理之該光學感測元件表面；以及電漿改質該光學感測元件之該金屬薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之改良方法，其中經過電漿改質之該光學感測元件係用於分子檢測。
- 如申請專利範圍第1項所述之改良方法，更包括以下步驟：固定一生物分子於經電漿改質之該光學感測元件的該金屬薄膜。
- 如申請專利範圍第3項所述之改良方法，其中，該生物分子係蛋白質A或血清白蛋白。
- 如申請專利範圍第4項所述之改良方法，更包括以下步驟：提供一抗體與該蛋白質A或血清白蛋白結合。
- 如申請專利範圍第5項所述之改良方法，其中，該光學感測元件係用於檢測該抗體可專一性辨識之抗原。
- 如申請專利範圍第1項所述之改良方法，其中，該金屬薄膜為一金薄膜或銀薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述之改良方法，其中，該酸為硫酸、鹽酸、硝酸或氫氟酸。
- 如申請專利範圍第8項所述之改良方法，其中，該硫酸為1%至20%的硫酸水溶液。
- 如申請專利範圍第9項所述之改良方法，其中，該硫酸處理時間為5秒至10分鐘。
- 如申請專利範圍第1項所述之改良方法，其中，該光學感測元件係光纖感測元件。
- 如申請專利範圍第1項所述之改良方法，其中，該金屬薄膜係以電鍍形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之改良方法，其中，該電漿係異丙醇電漿或氧電漿。
- 如申請專利範圍第13項所述之改良方法，其中，該異丙醇電漿改質的時間為1分鐘至30分鐘。
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