TWI490472B - 分析器及使用該分析器之感測方法 - Google Patents

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TWI490472B
TWI490472B TW099105285A TW99105285A TWI490472B TW I490472 B TWI490472 B TW I490472B TW 099105285 A TW099105285 A TW 099105285A TW 99105285 A TW99105285 A TW 99105285A TW I490472 B TWI490472 B TW I490472B
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Description

分析器及使用該分析器之感測方法
本發明揭露內容一般係有關於一種分析器，文中亦揭露用以使用該分析器進行感測之方法。
 發明背景
分析法(Assay)以及其他感測系統已經用於化學，生化醫療與環保領域，以偵測一種或更多化學物質之存在且/或濃度。近年來，已經將光學波導器整合到此等感測系統中。在某些情況中，該等光學波導器係用於消逝場產生或者用於以一種所需方式導引光線。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種分析器，其包含：一具有一表面之基板；多個形成在該基板表面中之不同的V型溝槽；一輸入流動通道，其係構造成在個別的輸入點與該等複數個V型溝槽的每一者相交且流體連接；及一輸出流動通道，其係構造成在個別的輸出點與該等複數個V型溝槽的每一者相交且流體連接。
圖式簡單說明
本發明揭露內容之特徵與優點將藉由參考以下詳細說明與圖式而變得顯而易見，其中相同的參考數字對應到類似的組件，儘管也許該等組件並非完全相同。為求簡明之故，具有先前描述功能之參考數字或特徵有可能會關聯其他包含該等組件的圖式加以描述。
第1圖係為一包括多個V型溝槽以及多重流體通道之分析器的一實施例之半概略立體圖；第2圖係為一包括多個V型溝槽、多重流體通道以及多個光線輸入與輸出纖維之分析器的另一實施例之一概略俯視圖；第3圖係為一包括多個V型溝槽、多重流體通道以及整合性光源與感測器之分析器的另一實施例之一概略俯視圖；第4圖係為一流程圖，該圖顯示使用該分析器之方法的一實施例。
 較佳實施例之詳細說明
文中揭露之分析器的實施例有利地將波導器與流體通道整合到一單獨基板中，藉以提供一實驗室晶片(lab-on-a-chip)感測器設計。V形溝槽(文中亦稱之為V型溝槽)係構造成與一部分的流體通道一致，光線透過該等V型溝槽加以導引，且流體從而流過該等V型溝槽。整合V型溝槽與流體通道有利地提供一實際空間，用以使光線與流體樣本產生反應。吾人相信光線與流體在分析器中產生的反應量會有助於產生電漿子加強以及增加訊號輸出。
此外，該感測器能夠以許多不同的光學感測技術加以構造，藉以產生設計多樣性。例如，能夠使用一單獨感測技術，或者能夠將多種感測技術一起整合到一單獨裝置中。
感測器亦能夠用於各種不同的感測應用，包括氣體感測、化學感測、生化或生物感測，或者是類似之感測。
現在參考第1圖，該圖顯示分析器之一實施例。分析器10包括一基板12，該基板其中形成有V型溝槽14以及流體通道16I 、16o 。基板12可由任何適當材料所構成，包括絕緣體(例如，玻璃、石英、陶瓷(礬土)等)、聚合材料(例如，聚碳酸酯、聚醯胺、丙烯酸等)、金屬(例如，金、銀、鈦、鉑、鈀等)、半導體(例如，矽氧烷、磷化銦、砷化鎵、砷化銦、Inx Ga1-x Asy P1-y (其中0<x<1,0<y<1))、絕緣層矽晶(SOI)基板，或者SOI基板上之矽氧烷上的第Ⅲ族到第V族半導體。
如第1圖中所示，多個不同的V型溝槽14係形成在基板12的表面S中。文中所使用之術語”不同的V型溝槽”表示單獨的V形凹處，其係形成在基板表面S中，各個溝槽係構造成耦合到個別的光源與感測器(第2與3圖中所示的參考數字18與20)。該等V型溝槽14能夠大體上彼此平行(如第1圖中所示)，或者能夠對於另一溝槽形成任何所需角度，只要該等溝槽14彼此並不相交，並且與各個流體通道16I 、16O 流體相連。
在一實施例中，該等V型溝槽14係透過單體壓印光微影術、熱模製程序、一熱壓成形程序、聚焦離子束、光微影術、蝕刻或透過超紫外光(UV)壓印而形成於基板12中。各個V型溝槽之角度θ以及深度d能夠至少部分地根據與導引通過的波長、欲進行感測的空間、欲進行感測的訊號類型等而加以改變。在一非限定範例中，溝槽角度θ範圍從接近零(例如，大於0°且小於1°)到約60°，且溝槽深度d範圍從大約100奈米到約10微米。
各個V型溝槽14之長度L能夠等於基板12的長度或寬度，根據V型溝槽14形成的方向而定。如果以對角方式形成在基板12中，V型溝槽14之長度L會跟著改變。在一非限定範例中，各個V型溝槽14之長度L範圍從大約100奈米(±1奈米)到大約1毫米(±0.25毫米)。理解到的是，反應長度LI 對應到V型溝槽14之部分長度L，引入V型溝槽14之光線於其中與引入該V型溝槽14的流體產生反應。就其本身而論，反應長度LI 從一輸入點PI (亦即，輸入通道16I 以及個別V型溝槽14相接合或交接的區域)延伸到一輸出點PO (亦即，輸出通道16O 以及個別V型溝槽14相接合或交接的區域)。
當基板12並不是由金屬所形成時，理解到的是，各個V型溝槽14在其各個表面上可能建立一金屬層(未顯示)。然而，在某些情況中可能不會包括該金屬層。適用於金屬層之金屬的非限定範例包括銀或金。當V型溝槽14中包括一單獨金屬層時，該層之厚度範圍一般而言係從約5奈米到約300奈米。適合用於建立該金屬層的沈積技術包括蒸發、噴濺以及電鍍。
V型溝槽14亦能夠加以功能化，其至少部分地根據欲經由分析器10進行分析的樣本而定。在一實施例中，該V型溝槽14表面之功用能夠做為受體分子，其與欲感測之分子相結合。例如，該V型溝槽14表面能夠以一單品系DNA加以功能化，其與欲感測之DNA序列互補配對。
如同先前所述，基板12其中亦形成具有流體通道16I 、16O 。該等流體通道16I 、16O 亦能夠藉由與形成V型溝槽14相同的技術加以形成。流體通道16I 、16O 亦能夠與V型溝槽14同時加以製造，或者是在V型溝槽14製造以前或之後加以製造。流體通道16I 、16O 能夠具有任何所需形狀，包括一V形、一圓形、一矩形或是方形，或者是任何其他規則或不規則幾何形狀。在一實施例中，該等流體通道16I 、16O 具有之寬度與深度尺寸範圍從約100奈米到約1毫米。
理解到的是，該分析器10包括至少一輸入通道16I 以及一輸出通道16O 。輸入通道16I 具有一輸入口I，其係構造成將流體從一流體來源(未顯示)導入分析器10，且該輸出通道16O 具有一輸出口O，其係構造成將離開該分析器10之流體導入例如一廢料貯藏器(同樣未顯示)。輸入通道16I 與輸出通道16O 二者係與各個V型溝槽14流體連接。
文中所使用之術語“流體連接”表示該流體(例如，氣體且/或液體)能夠自由地從輸入通道16I 移動進入V型溝槽14，並從各個V型溝槽14進入輸出通道16O 。流體在個別的輸入點PI 從輸入通道16I 流動進入各個V型溝槽14，並且在個別的輸出點PO 從各個V型溝槽14進入輸出通道16O 。理解到的是，該流體流可為主動式或被動式。在一實施例中，正壓力能夠透過輸入口I進行施加，以便將流體推入分析器10，負壓力能夠從輸出口O加以抽吸，以便將流體抽出該分析器10，或者能夠使用正壓與負壓，以所需方向將流體導引通過分析器10。
能夠藉著操作地在各個尾端EG 佈置一停止機構(未顯示)，將流體流束制在V型溝槽14之尾端EG ，該停止機構對於傳播通過該V型溝槽14以及所產生之光學訊號的所需波長而言係為透明。此等停止機構之範例包括玻璃、二氧化矽或者是適當聚合物。在某些情形中，同樣亦需要將流體流束制在該等通道16I 、16O 之尾端EG (第2圖與第3圖中所示)。如第1圖中所示，輸入通道16I 起始於輸入口I，且終止於第二個V型溝槽14(其中二者形成一T形交叉)，且輸出通道16O 起始於第一V型溝槽14(其中二者形成一T形交叉)，並終止於輸出口O。在此等情況中，無需使用額外的停止機構束制流體流，因為需要使流體經由輸入口I流入並由輸出口O流出。然而，在製造期間，可能更需要將該等通道16I 、16O 構造成如同第2圖與第3圖中所示，其中輸入通道16I 與輸出通道16O 二者分別在與輸入口I以及輸出口O相對的尾端EG 處敞開。在此情況中，能夠將一停止機構固定到基板，或是於這些額外開口處固定到通道16I 、16O 中，以致於使流體不會在輸出口O以外的任何地點離開該分析器10。第2圖與第3圖中之箭頭符號顯示將停止機構整合到分析器10中時的流體流。
儘管第1圖中未顯示，理解到的是，文中所揭露之分析器10的實施例亦包括光源18與感測器20。包括此等組件18、20之分析器10’的一實施例係顯示於第2圖中，且包括此等組件18、20之分析器10”的另一實施例係顯示於第3圖中。
現在特別參考第2圖，分析器10’之實施例包括輸入纖維22(或是任何其他光學模式輸入)以及輸出纖維24(或者是任何其他光學模式輸出)，其分別將光線導引進入一對應的V型溝槽14，並且將訊號導引出對應的V型溝槽14。各個輸入纖維22(其一非限定範例係為玻璃)係在其兩個相對尾端的其中一尾端處操作地連接到對應的V型溝槽14，並且連接到一個別的光源18。輸入纖維22無須實際地連接到V型溝槽14或是光源18，而是加以佈置成將來自於光源18之光線導入該纖維22，且接著從該纖維22導入V型溝槽14。在此一情況中，纖維22之芯材係對齊光源以及V型溝槽14。在另一實施例中，該輸入纖維22係實際連接到V型溝槽14。
由於各個光源18係為一用於不同V型溝槽14的光線來源，故能夠將波長相同或不同之光線導入各個V型溝槽14。選擇用於各個V型溝槽14的光線波長能夠至少部分地根據欲進行分析的樣本，以及用於此V型溝槽的感測技術而定。適當光源18之非限定範例包括雷射或是發光二極體。
與輸入纖維22之構造類似，各個輸出纖維24係操作地連接到V型溝槽14之兩個相反尾端的另一處(亦即，位於鄰接輸入纖維22之尾端的相對尾端處)。在某些情況中，該輸出纖維24(其一非限定範例係為玻璃)無須實際上連接到V型溝槽14或是對應的感測器20，而是加以佈置成將來自於該V型溝槽14之訊號導入纖維24，且接著從纖維24導到感測器20。就其本身而論，該纖維24係與V型溝槽14以及感測器20相對齊。
由於各個感測器20係與一不同的V型溝槽14相關聯，故在相同的分析器10’、10”中能夠使用相同或不同的感測技術。選擇用於各個V型溝槽14之感測器20能夠至少部分地根據欲進行分析的樣本以及導入該V型溝槽14之光線而定。適用感測器20之非限定範例包括光感測器，其能夠單獨使用，或者與鏡頭且/或濾鏡(例如，波長分多工濾鏡)結合使用。能夠使用之光譜感測技術包括拉曼(Raman)光譜儀以及先進型拉曼光譜儀(例如，表面增強拉曼光譜儀)、遠紅外線光譜儀，或是光致發光器。
如同先前所述，第3圖顯示分析器10”之另一實施例。在此實施例中，光源18以及感測器20係整合於基板12上，且因此其係為晶片上光源18(例如，晶片上雷射或發光二極體)以及晶片上感測器20(例如，晶片上光感測器)。
在文中揭露的所有實施例中，能夠在表面S上建立一蓋體(未顯示)，以便大體上密封住該等通道16I 、16O 以及V型溝槽14，以致於使光線與流體不會以不希望發生的方式漏出。該蓋體能夠由與基板12相同的材料所選出，且能夠藉由晶圓結合加以固定到基板12。
現在參考第4圖，該圖描述一種使用分析器10、10’、10”之方法。該方法一般包括將一含有一物種之樣本導入流動通道16I ，藉以使該樣本i)在個別的輸入點PI 流入各個不同的V型溝槽14；以及ii)在個別的輸出點PO 流出各個不同的V型溝槽14，如同參考數字400所示；將光線導引進入該等不同的V型溝槽14，如同參考數字402所示；以及感測至少某些指示該物種之光學訊號，如參考數字404所示。該方法進一步包括基於感測光學訊號辨識出物種，如參考數字406所示。
所導入之樣本可為一氣體或液體，其包含一種或更多欲加以指示的未知物種(亦即，分析物)。該分析物可為分子、化合物、細胞、DNA等等。
樣本係經由輸入流動通道16I 導入分析器10、10’、10”中。隨著該樣本流過V型溝槽14，光線係由各個光源18導入對應的V型溝槽14中。位於個別V型溝槽中的物種將會在其中與光線產生反應，且此等反應會產生光學訊號，其係經過導引離開V型溝槽14，朝向個別的感測器20。光線與物種之反應能夠經由各種不同的機構(例如，經由一光子之能量中的偏移、經由光線之吸收或透明度、經由光子之吸收與再輻射等等)加以辨識，且此等機構係能夠經由適當的感測器20(例如，一拉曼光譜儀、一遠紅外線光譜儀、一光致發光感測器等等)加以感測。
由於不同物種之間所產生的反應並不相同，故感測得到的訊號便能夠用以辨識出物種。
由於分析器10、10’與10”中之各個V型溝槽14彼此不同，導入個別V型溝槽14中之光線可為相同或不同的光線。在一實施例中，各個V型溝槽14具有相同波長之光線導入其中。例如當i)導入各個V型溝槽之光線具有多個涵蓋廣泛光譜的波長，且各個V型溝槽14係有關於一種構造成用以感測光譜中不同波長的感測器20；或者是ii)各個V型溝槽14之功能係作為一不同的受體；或是iii)使用拉曼光譜儀或光致發光(其中技術需要一個單一入射波長)，且感測器20係加以構造成在不同波長感測訊號時，此方法係尤其適合。
在另一實施例中，各個V型溝槽14其中係導入一不同波長之光線。例如，一V型溝槽14能夠與可見光相關，另一V型溝槽14能夠與遠紅外線相關，而另一V型溝槽14能夠與超紫外光相關。在分析器10、10’與10”包括少許V型溝槽14之一實施例中，希望使各個V型溝槽14與一尖峰部分相關(例如，一V型溝槽14係與700奈米相關，另一V型溝槽14係與750奈米相關，而另一V型溝槽則與800奈米相關)。在另一實施例中，與少許的V型溝槽相反，更需要使分析器包括數百個V型溝槽14。例如，一百零一個溝槽能夠與個別單獨相隔1奈米之波長相關聯，以致於使該分析器10、10’與10”作為一光譜儀。在此範例中，該第一V型溝槽14係與例如700奈米波長相關，一相鄰的V型溝槽14係與例如701奈米波長相關，且對於各個相鄰V型溝槽14增加1奈米，直到最後的V型溝槽14為止，該最後溝槽係與例如800奈米波長相關。當需要感測各種不同物種，且各物種會與一不同波長之光線產生反應；或者一單獨物種與多種波長之光線產生反應時，這些範例尤其適用。
在其他實施例中，將具有各種不同波長之光線導入各個V型溝槽14中。例如，能夠可見光、遠紅外光，以及超紫外光導入各個V型溝槽14其中。在此一實施例中，所產生之光學訊號能夠在離開V型溝槽且進行感測以前加以多路解編(de-multiplexed)。當需要感測一種與多種波長產生反應之物種，或是需要感測與不同波長產生反應的多種不同物種時，此作法尤其適用。在一非限定範例中，當需要看見”尖峰”部分而非強度，且從而需要比較來自於相鄰波長之訊號時，便能夠適用此技術。在另一非限定範例中，當來自於一單獨波長之訊號無法提供足夠的資訊，以判定關注的物種，且從而能夠進行多種波長的測試時，便能夠適用此技術。
儘管已經詳細描述數種實施例，對於熟諳此技藝之人士而言，顯而易見的是，所揭露之實施例能夠加以修改。因此，先前描述係作為範例而非限制之用。
10．．．分析器
10’．．．分析器
10”．．．分析器
12．．．基板
14．．．V型溝槽
16I ．．．流體輸入通道
16O ．．．流體輸出通道
18．．．光源
20．．．感測器
22．．．輸入纖維
24．．．輸出纖維
400-406．．．步驟
θ．．．角度
d．．．溝槽深度
E．．．溝槽尾端
EG ．．．溝槽尾端
I．．．輸入口
L．．．溝槽長度
LI ．．．反應長度
O．．．輸出口
PI ．．．輸入點
PO ．．．輸出點
S．．．基板表面
第1圖係為一包括多個V型溝槽以及多重流體通道之分析器的一實施例之半概略立體圖；
第2圖係為一包括多個V型溝槽、多重流體通道以及多個光線輸入與輸出纖維之分析器的另一實施例之一概略俯視圖；
第3圖係為一包括多個V型溝槽、多重流體通道以及整合性光源與感測器之分析器的另一實施例之一概略俯視圖；
第4圖係為一流程圖，該圖顯示使用該分析器之方法的一實施例。
10．．．分析器
12．．．基板
14．．．V型溝槽
16I ．．．流體輸入通道
16O ．．．流體輸出通道
θ．．．角度
d．．．溝槽深度
E．．．溝槽尾端
I．．．輸入口
L．．．溝槽長度
LI ．．．反應長度
O．．．輸出口
PI ．．．輸入點
PO ．．．輸出點
S．．．基板表面

Claims (15)

  1. 一種分析器，其包含：一塞板，其具有一表面；複數個不同V型溝槽，其形成在該基板的表面中；一輸入流動通道，其係組配成在個別的輸入點與該等複數個不同V型溝槽的每一者相交且呈流體連通；一輸出流動通道，其係組配成在個別的輸出點與該等複數個不同V型溝槽的每一者相交且呈流體連通；及一光源，其係操作地佈置以發射光線沿著該等複數個不同V型溝槽中的至少一者。
  2. 如申請專利範圍第1項之分析器，其進一步包含：一輸入纖維，其操作地連接到該等複數個不同V型溝槽之一個別者，該輸入纖維係組配來將光線導入至該等複數個不同V型溝槽的該個別者中；及一輸出纖維，其操作地連接到該等複數個不同V型溝槽之一個別者，該輸出纖維係組配來將光線導出自該等複數個不同V型溝槽的該個別者。
  3. 如申請專利範圍第2項之分析器，其中該光源係操作地佈置來將光線發射進入該等輸入纖維之一個別者。
  4. 如申請專利範圍第3項之分析器，其中從一光源所發射之光線的一波長，係不同於從另一光源所發射之光線的一波長。
  5. 如申請專利範圍第3項之分析器，其中該等光源係操作地與該基板整合。
  6. 如申請專利範圍第1項之分析器，其進一步包含一金屬層，該金屬層係建立在該等複數個V型溝槽的每一者之各表面上。
  7. 如申請專利範圍第1項之分析器，其中複數個輸入流動通道的每一者以及複數個輸出流動通道的每一者，係一微流(microfluidic)通道或是一奈流(nanofluidic)通道。
  8. 如申請專利範圍第1項之分析器，其進一步包含一感測器，該感測器係操作地佈置來感測來自於該等V型溝槽的一個別者之光線。
  9. 如申請專利範圍第8項之分析器，其中多數感測器係操作地與該基板整合。
  10. 如申請專利範圍第1項之分析器，其中各個V型溝槽具有在其輸入點以及輸出點之間延伸的一相互作用長度，且其中該相互作用長度之範圍從約100nm到約1mm。
  11. 一種使用如申請專利範圍第1項之分析器用以感測至少一物種(species)的方法，該方法包含：將含有該至少一物種之一樣本引入該輸入流通道，藉以使該樣本i)在該等個別的輸入點流入該等不同的V型溝槽的每一者，及ii)在該等個別的輸出點自該等不同的V型溝槽的每一者流出；將光線引入到該等不同的V型溝槽的每一者中；及感測至少某些可指示出該至少一物種之光學訊號。
  12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該至少一物種包括至少兩種物種，其中引入到該等不同V型溝槽之一者的 光線所具有的波長，係不同於引入到該等不同V型溝槽之另一者的光線之波長，且其中感測之動作包括下列步驟：經由一操作地佈置在該等不同V型溝槽之該一者之一輸出口處的第一感測器，感測可指示出該等至少兩種物種其中一者的光學訊號；及經由一操作地佈置在該等不同V型溝槽之該另一者之一輸出口處的第二感測器，感測可指示出該等至少兩種物種其中另一者的光學訊號。
  13. 如申請專利範圍第11項之方法，其中引入到該等不同V型溝槽之每一者的光線的波長係相同。
  14. 如申請專利範圍第11項之方法，其中該至少一物種包括一種物種，其中引入到該等不同V型溝槽之一者的光線所具有之波長，係不同於引入到該等不同V型溝槽之另一者的光線之波長，且其中感測之動作包括下列步驟：經由係操作地佈置在該等不同V型溝槽之該一者之一輸出口處、以及佈置在該等不同V型溝槽之該另一者的一輸出口處之多數感測器，感測可指示出該一物種之光學訊號。
  15. 如申請專利範圍第11項之方法，其進一步包含下列步驟：基於該等光學訊號來識別該一物種。
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