TWI497056B - 影像成像超材料 - Google Patents

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Nat Univ Tsing Hua
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Description

影像成像超材料
本發明系關於一種不需標定之生物影像或細胞內部特定分子影像成像超材料。
近代光學顯微鏡技術發展明顯有利於生物影像方面應用，例如：共軛焦顯微術、受激放射耗損顯微術(stimulated emission depletion microscopy)、隨機光學重建顯微術(stochastic optical reconstruction microscopy)或其他顯微技術。這些技術可擷取3D影像，甚至可在衍射限制下重建次波長解析度。在上述提及的尖端顯微技術中，皆需執行關鍵的螢光標定步驟，其經常造成活細胞的損傷，而更嚴重會因機械性轉換(mechanotransduction)而影響該細胞生理功能。因此表面電漿共振顯微術(surface plasmon resonance microscopy,SPRM)，一種不需標定顯微技術，其跟據位於鄰近金屬膜的局部介電環境折射率差異來成像，提供一種解決方法以研究即時的細胞生物物理刺激及細胞對於信號之反應。雖然具有非標定及極高敏感度的特性，SPRM顯微術仍面臨幾個本質上的問題，如光學耦合器的需求，包含稜鏡及光柵、有限的操作頻率範圍而阻礙了細胞內部研究，尤其對於可見的及首要的淺層偵測距離約在幾百個奈米內。
因此為了達到不須標定、不需耦合、可擴充及細胞內部生物影像成像，本發明提供了一種使用隙環結構(spilt-ring structure,SRS)之多模式共振的電漿微平台，該SRS是人工建構的次波長結構，根據其所集中的電漿共振可允 許負導磁率、高頻率電磁波及其他先前不存在的導磁性。實際上，該SRS之共振狀態高度依賴其局部的介電環境，因此SRS可用來做為折射率(refractive-index,RI)偵測器。
本發明提供一種綜合的影像成像超材料，包含至少一個共振單元，具有一可控制的隙環結構，該可控制的隙環結構包含至少一切口及至少一節段，其中節段係由一節點相連或由一切口隔開，及其中該共振單元具有一共振波長，其可由下列公式獲得：λ m =2 neff L-λ 0
其中L係一個節段的長度或所有節段長度及切口寬度的總和，λm 係該共振單元或該共振單元中節段的一共振波長、neff 係一介電環境之有效的折射率及λ0 係一背景波長。
在一具體實施例中，該可控制隙環結構包含然不限於一個以至少一切口分開之環狀節段形成的圈環、多個以至少一切口分開之環狀節段所形成的圈環、或以一節點相連或以一切口隔開之線型節段。在一較佳實施例中，該可控制隙環結構包含但不限於一隙圈環結構(split-ring structure如，圖1a)或其他如圖1b~e所示之隙環結構。
在一具體實施例中，該影像成像超材料其複合一基質，在一較佳實施例，該影像成像超材料與該基質的複合物藉由一黏附層進一步複合一介電質及/或金屬材料。在較佳的具體實施例中，在該影像成像超材料中，該共振單元131 係與一黏附層132 、一介電質133 及一基質134 複合，及該介電 質132 與金屬133 係配置於該共振單元131 與該基質134 的中間(圖2)。
在本發明其他具體實施例中，該影像成像超材料之節段係由一導電材料製備而成。在較佳實施例中，該導電材料包含但不限於金屬、半導體、超導體、半金屬、多孔性矽、聚合物、寡合物、有機-無機複合物、氧化物、硼化物、碳化物、氮化物、矽化物、玻璃或其組合。在一較佳實施例中，該介電質材料包含但不限於聚四氟乙烯、聚亞醯胺、聚丙烯、熱塑性材料、聚二甲基矽氧烷、鐵磁性材料、功能轉換金屬氧化物(functional transition metal oxide)、熱釋電材料、半導體、強介電性材料或其組合。又在另一較佳實施例中，該基質包含但不限於一聚四氟乙烯、聚亞醯胺、聚丙烯、熱塑性材料、聚二甲基矽氧烷、鐵磁性材料、功能轉換金屬氧化物、熱釋電材料、半導體、強介電性材料、紙、絲、布料或其組合。
另在一具體實施例中，該共振單元排列配置成一共振單元陣列，及該影像成像超材料包含至少一個共振單元陣列。
在本發明中，該影像成像超材料偵測一待偵測物體(簡稱待測物)之一電磁波訊號，其中該電磁波訊號係一包含一共振頻率及一共振強度之共振頻譜。在一具體實施例，該電磁波訊號進一步包含該待測物中一分子的一官能基共振訊號或該待測物的一折射率訊號。在一具體實施例中，該影像成像超材料用來獲得該待測物的一折射率(refractive index,RI)影像或一分子訊號(molecular signal,MS)影像。
本發明另提供一種製備一影像成像超材料之方法，包含以下步驟：
(a)以下列公式計算該共振單元之該可控制的隙環結構：λ m =2 neff L-λ 0 (I)
其中L係一個節段的長度或所有節段長度及切口寬度的總和，λm 係該共振單元或該共振單元中節段的一共振波長、neff 係一有效的介電環境折射率及λ0 係一背景波長。
(b)得到該節段之長度或該切口之寬度；及(c)裝配步驟(b)得到之該節段及切口，以組成該影像成像超材料之該共振單元。
在一具體實施例中，該λ0 波長位於0.5~50μ m範圍，在較佳具體實施例中，該λ0 波長位於1.25~10μ m範圍。
在一較佳具體實施例中，在步驟(a)計算後，本發明進一步利用一收集模態共振模式(collective mode resonance model)以下列公式計算該共振單元之可控制的隙環結構的週期性排列值(periodic arrangement value)：Γ <λ inc . /n eff (II)其中Γ 係一週期性排列閾值、n eff 係該一介電環境之有效的折射率、及λ inc 係一入射光之共振波長，其中該入射光為一發射至該共振單元的光。
該影像成像超材料之靈敏度可由下列公式運算得到：F .O .M =m (eV．RIU -1 )/fwhm .(eV )=靈敏度 ×品質因數 (III)其中F .O .M 係一光電效益指數(Figure-of-Merit)、m 係一共振模式、及fwhm .係一半峰全幅值及eV 係一頻率單位。
在一具體實施例中，公式(I)中該λ m 決定一共振單元整體或該共振單元中單一節段的共振波長。例如：當L 為該共振單元中所有節段長度及所有切口寬度的總合，則λ m 係該共振單元整體之共振波長。同樣的，當L 為該共振單元中單一節段的長度，則λ m 係該共振單元中該單一節段的共振波 長。在較佳的具體實施例中，該共振單元包含多個節段，而該共振單元中之每個節段具有各自的共振波長。
在另一具體實施例中，該公式(II)決定一共振單元整體或該共振單元中單一節段的共振強度。當該共振單元之週期性排列值小於週期性排列值閾值，該待測物之中分子的官能基共振訊號可更進一步被該影像成像超材料增強。
在一具體實施例中，該影像成像超材料用來獲得該待測物之一折射率(RI)影像或一分子訊號(MS)影像。
本發明亦提供一種影像成像裝置100 (圖2)，包含：
(d)一光源110 ，用以提供一光至一待測物以產生該待測物120 之一電磁波訊號；(e)一種影像成像超材料130 ，用以偵測該待測物之一電磁波訊號，其中該待測物放置於該影像超材料上。
(f)一元件140 ，用以接收該影像成像超材料測得之該待測物電磁波訊號，及傳送該測得之該待測物電磁波訊號至一處理器；及(g)該處理器150 ，用以根據該測得之該待測物電磁波訊號處理及產生一折射率(RI)影像或一分子訊號(MS)影像。
在一較佳具體實施例中，該待測物係放置在該影像成像超材料具有共振單元的那一面，及該光源提供並發射光至該影像成像超材料具有基質的那一面以產生該待測物之電磁波訊號，該光包含但不限於一紅外光至一可見光。元件140 從該影像成像超材料接收其測得之該待測物電磁波訊號，較佳的方式是從該影像成像超材料具有基質的那一面接收，並傳送至該處 理器。該處理器根據該測得之該待測物電磁波訊號處理及產生一折射率(refractive index,RI)影像或一分子訊號(molecular signal,MS)影像。
在一具體實施例中，該測得之該待測物電磁波訊號係一包含一共振頻率及一共振強度之共振頻譜。在另一具體實施例中，該電磁波訊號包含該待測物中一分子的一官能基共振訊號或該待測物的一折射率訊號。該待測物中一分子的一官能基共振訊號根據該分子擁有的特定官能基含有一多樣的特定共振強度峰值。該待測物的折射率訊號包含該待測物之一折射率頻率範圍。
在一具體實施例中，該元件140 係一光學攝影系統，例如一光學攝影鏡頭。在一較佳實施例中，該光學攝影系統包含但不限於一CCD系統或一焦點平面陣列(focal-planar-array,FPA)。
在一具體實施例中，該裝置進一步包含一光偏極化元件160 用以偏極化該測得之電磁波訊號成為不同偏極化的該測得之電磁波訊號。該元件140 接收並傳送該偏極化的該測得之電磁波訊號至該處理器。在另一具體實施例中，該偏極化的測得之電磁波訊號係一多模態共振頻譜。
在較佳具體實施例中，該影像成像超材料測得之該待測物的折射率訊號相較於背景值(不放置待測物)會產生位移，當一待測物的多個內部位置具有多樣的折射率訊號，該影像成像超材料會根據各個該待測物的內部位置產生不同程度的折射率訊號位移。
在一較佳具體實施利中，該處理器比較該測得之該待測物電磁波訊號及背景值，產生該待測物之分子訊號影像或該待測物之內部影像。在較佳具體實施例中，該處理器藉由下列公式產生該測得電磁波訊號的一計算結 果：△R /R ref . =|R analyate-TMM -R bare-TMM |/R ref △T /T ref . =|T analyate-TMM -T bare-TMM |/T ref (III)其中R analyate-TMM 係以該影像成像超材料偵測該待測物的一反射訊號，R bare-TMM 係以該影像成像超材料偵測一背景的一反射訊號，及R ref 係以一反射鏡偵測之一反射訊號；其中T analyate-TMM 係以該影像成像超材料偵測該待測物的一穿透訊號，T bare-TMM 係以該影像成像超材料偵測該背景的一穿透訊號，及T ref 係以該基質偵測之一穿透訊號參照值。
在得到該測得電磁波訊號之計算結果後，根據該待測物每個內部位置或該待測物中特定分子的計算結果差異，該處理器產生該待測物之一內部影像或該待測物中特定分子的影像。
在一具體實施例中，該待測物為一可透光物件。在較佳具體實施例中，該物件係一結晶、聚合物、生物有機物或一生物有機物的一部份。在另一較佳具體實施例中，該物件係一細胞或一組織。又在一具體實施例中，本發明中該裝置用來提供一細胞內部生物影像或一細胞內的特定分子影像。
 實例1
關於超材料層，本發明選擇一隙圈環結構(SRS，圖1a)作為實施範例。
該SRS具體帶有節段弧長為l1、l2、l3，切口寬度為s1、s2及總長L=l1+l2+l3+s1+s2，其各別顯示於圖1a。這些參數可修正該電漿模態以符合該期望分子的不同共振模態。該SRS，其應為介電質或金屬，本實例為金，藉由電子束光刻及掀離製程(E-beam lithographic and lift-off processes)組裝固 定單元元件(1.2×1.2 μm2 )，面積為150×150 μm2 。該SRS圖樣配置在一電磁波可穿透基質(矽或玻璃)之上，該裝置圖解可見圖4。
關於分析層(任何物質)，本實例使用人類骨髓分離之間質幹細胞(human bone marrow-derived mesenchymal stem cells,hMSCs)。該hMSC培養生長在設計好的SRS及裝置上，其具數個官能基包括C-H、C=O及C-O，共振頻率分別位於2920 cm-1 、1730 cm-1 及1150 cm-1 。
然後，該配置完成的SRS裝置及分析物(幹細胞)利用一微傅利葉轉換紅外光頻譜系統(μ-FTIR)配合焦點平面陣列(focal-planar-array,FPA)偵測反射訊號及穿透訊號。該光學影像及FPA影像各別為圖5a及5b。簡言之，該FPA影像顯示SRS裝置增強的區域比其他周遭區域擁有較強的訊號。
此外，根據前述裝置，本實例以甲基丙烯酸酯(Polymethylmethacrylate,PMMA)取代該分析物層，該裝置圖解可見圖6，該測得之PMMA及背景值(無PMMA)電磁波訊號使用公式III計算並顯示結果於圖7。該PMMA的折射率影像及化學分佈影像之FPA影像顯示於圖8a~b，該PMMA訊號在SRS裝置增強的區域比其他周遭區域有較強的訊號。
實例2
本發明證實SRS中的多模態電漿共振，其中低階模態對於較強的局部電磁場具有較佳靈敏度，以致其偵測長度較短，於500 nm以內，高階膜態具有中等的靈敏度，其偵測長度為微米尺度，可容許細胞內部生物現象偵測。這些SRS結構的獨特特性不僅讓多功能電漿生物感測器維持一般SPR技術的優點(如，不需標定、優異的靈敏度、快速且及時診斷、偵測折射率差異)， 更可達成一種不需耦合、可擴充及細胞內部生物影像成像平台。
該設計完成的SRS樣品以標準電子束光刻及掀離製程組裝，如圖9a所示，一樣品中包含10×10個單元元件，每個單元元件由5×5個SRS組成。所有SRS單元元件各單元皆包含完全相同的SRS圖樣。該設計完成的SRS參數如圖9b所示。此外，穿透及反射訊號是使用傅利葉轉換紅外光頻譜(Vertex 80V)測得，其裝配有紅外光顯微鏡(Bruker Hyperion 2000)，波數範圍為400-8600 cm-1 ，其相對應的中紅外光影像以焦點平面陣列偵測器(FPA)擷取。所有測得的頻譜以一鋁鏡的反射頻譜標準化，該SRS的反射頻譜於普通強度下顯示三個反射峰值，如圖9c所示，其中該共振波長與駐波電漿共振(standing-wave plasmonic resonance,SWPR)模式一致，並以下列公式計算： 其中L係圖9b顯示的SRS總長，λ m 係共振波長，m係共振模態，neff 係一介電環境之有效的折射率及λ0 決定於其幾何結構。該多反射峰值可被標定為兩種電漿共振膜態：1∥ 、3∥ (不對稱案例)及2∥ (對稱案例)相關聯於兩個垂直的偏極化電場(E∥ 及E∥ )如圖9c所示。我們發現該垂直的極化波(E∥ )激發竒數模態(即模態1∥ 於2550 cm-1 與模態3∥ 於6900 cm-1 )，及平行的極化波(E∥ )激發偶數模態(即模態2於5700 cm-1 )。接著，該SRS的基本電漿影像利用一焦點平面陣列偵測器(FPA)測繪，並藉由評估2200到2800 cm-1 的反射強度來集合關於該SRS樣品的電漿影像，以偽色呈現如圖9d上半部所示。發現該SRS範圍中顯示較強頻譜訊號是由於以SRS的基本電漿共振做為一紅外線區域內的解析陣列。
為了觀察對照的電漿影像，本實例旋塗一層PMMA在SRS樣品上，其結 果顯示於圖9d的下半部。藉由比較圖9d的兩部分，我們成功地偵測到一明顯對比的電漿共振影像，其顯示該SRS平台上局部介電環境的折射率訊號差異，進一步證明了不需標定及細胞內部電漿共振影像，我們培養並收集人類骨髓分離之間質幹細胞(hMSC)，並培養該收集的hMSC於該SRS基質之上。該生長在SRS基質上的hMSC呈現標準扁平及紡錘狀的型態，與培養在培養錐形瓶中觀察到的細胞型態類似。該類纖維型態在固定細胞後保持原狀，其代表SRS結構具有生物相容性。該hMSC中生化分子的訊號主要落在波數600-1800 cm-1 (醯胺基團)及2800-3200 cm-1 (脂質基團)，如圖10a所示。我們仔細地設計了SRS樣品以避免其操作頻率與生化成分本質具有的吸收訊號重疊，例如，藉由調控SRS的尺寸，我們可控制該具有hMSC培養於其上的SRS樣本之基礎共振在波數1800-2400 cm-1 之內，如圖式10b所示，其不會與hMSC的官能基訊號重疊。實際上，該hMSC的主要生化成分訊號，如hMSC的蛋白質、碳水化合物及蠟/脂質，可藉由其吸收特徵來鑑別，其中這些固有訊號的頻率是固定的，且其強度是弱的。然而，對於生物感測及生物影像成像的應用來說，其需要可位移訊號來定性分析及確信較強的訊號以得到更佳執行效能。現在藉由使用可擴充SRS平台來探測該分析物之折射率變化，我們可依這些呈現在該SRS基質附近的生化成分，獲得該位移的且較強的電漿訊號(比脂質的吸收訊號大於約10倍)。簡言之，區分且辨認該吸收訊號，該依據SRS的電漿共振訊號證實了其有較強訊號強度、可調整共振位置及早期偵測的優點。
該空的SRS樣本及該在其上培養hMSC的SRS樣本之基本模態反射頻譜，兩者皆示於圖式10c，分別以藍色及綠色曲線標示。因為介電環境的差 異該結果在反射峰值中反應出一個顯著紅色位移，表示這個SRS電漿感應器是非常靈敏且超越LSPR感應器。我們設計之SRS電漿生物感測器的第一共振模態靈敏度(即△λ /△n)約為2700 nm RIU-1 。與其他折射率(RI)生物感測器比較，例如表面電漿子(SPP)生物感測器及侷部表面電漿共振(LSPR)生物感測器，我們設計的SRS電漿生物感測器具有可媲美或甚至更佳的效能。舉例來說，該基於稜鏡耦合器之表面電漿子(SPP)生物感測器在波長解調範圍從970到13800 nm RIU-1 內的靈敏度取決於共振波長，其可媲美於我們的SRS共振生物感應器。然而，這些SPP生物感測器需要光學耦合器，且呈現淺層偵測距離(通常小於幾百個奈米)，因此他們在生物影像成像的應用會產生限制；此外，侷部表面電漿共振(LSPR)生物感測器的靈敏度是從120 nm RIU-1 到500 nm RIU-1 ，其執行成效比該證明的SRS電漿生物感測器更差。這個SRS電漿生物感測器執行成效類似於該表面電漿子(SPP)及局部表面電漿共振(LSPR)的混合，其中該前者為非輻射的且擁有較佳靈敏度，及該後者為輻射的且具有差的靈敏度。例如，該低階模態如SPP較靈敏，但由於SPP的非輻射性質，其具有較短的次微米尺度感測深度；相反的，該高階模態像是LSPR顯示較低靈敏度，但由於其輻射的性質可具有較大的、可達微米尺度的感測深度。在超材料領域中，細胞的局部接觸所造成的如此顯著共振峰值轉變尚未被完整的研究，在本發明，生物分子感測測量法證明了其靈敏偵測的可能性，及峰值位移與自SRS表面到細胞內部構造垂直長度之間的相互關聯。
總言之，我們利用在隙環共振子內激發多個模態共振，呈現了目前以來第一個細胞內部電漿影像。人類骨髓分離之間質幹細胞(hMSC)在我們的 平台中做為觀察標的，本發明成功地證明了以SRSM來建構hMSC的折射率分部影像的可行性，完成了一細胞內部生物影像成像平台，然後從該標的細胞中獲得官能基的訊息。該展示SRSM程序中，比較其他光學顯微術的關鍵優點在於，例如不須標定及即時診斷(相較於螢光及拉曼散射技術)、不需耦合以避免耦合油洩漏及散佈、及可擴充的操作頻率(相較於LSPR技術)尤其在IR工作狀態中來避免自生物試劑的強烈吸收，以提供活細胞影像成像技術，包含該觀察細胞增生及分化過程的可行性。
實例3
本發明設計該SRS樣本，且使用裝配一波長範圍400~8600 cm-1 的紅外線顯微鏡(Bruker Hyperion 2000)的傅立葉轉換紅外光分析儀(Vertex 80V)，且該相對應的中紅外影像是由焦點平面陣列偵測器來擷取。由於近代共焦面陣列偵測器的使用，其提升至新的影像成像技術。第一，測量該SRS樣本，然後將甲基丙烯酸酯(PMMA)旋塗到該SRS樣本之上，來觀察該含有/沒有PMMA的影像對比以做測試。成功地，本平台可得到很明顯的影像對比。接著，使用本案提出的平台來建構hMSC的生物影像，為了觀察hMSC，該SRS樣本根據駐波電漿共振模式仔細的被設計，其作用共振頻率介於中紅外線範圍內，且避免與hMSC的官能基訊號重疊。
人類骨髓分離之間質幹細胞(hMSC)是如前文所述而獲得，及骨髓樣本是通過人體試驗委員會後而收集的。hMSC培養在市售的專用培養基MesenPRO(Invitrogen,Grand Island,NY,USA)，含有盤尼西林(100單位ml-1 )、鏈黴素(1000單位ml-1 )及左旋麩醯胺酸(2 mmol L-1 ；Sigma-Aldrich,St.Louis,MO,USA)。植入且培養hMSC(5×104細胞mL-1)在設計的SRS 樣本上72小時，該在SRS樣本上的hMSC以磷酸鹽緩衝液小心潤洗，並已4%三聚甲醛固定20分鐘。
關於hMSC的免疫螢光染色，植入且培養hMSC於玻璃上72小時，且該細胞以4%三聚甲醛固定20分鐘，以含0.2% triton X-100之磷酸鹽緩衝液通透化細胞，並以含有1%山羊血清之磷酸鹽緩衝液阻斷。然後固定後的細胞在免液染色同時以4' -6-二甲脒基-2-苯基吲朵(DAPI)來雙染核DNA。該裝置及圖使用一倒立共軛焦螢光顯微鏡來獲得。
實例4
hMSC的生物影像是根據在波長1850-2400 cm-1 下該SRS的基本共振訊號(1∥ 模態)，該波長在FPA偵測器的偵測範圍內(900-3600 cm-1 )。常規光學顯微鏡及共軛焦光學顯微鏡影像兩者皆用來做為控制對照組。
圖式11顯示具有hMSC生長於SRS樣本上之常規光學顯微鏡影像，且背景中黑色部分代表SRS結構。在這個案例，我們未能在沒有標定的程序下顯示任何核內及胞器內部細節。圖式11b顯示hMSC的共軛焦螢光光學顯微鏡影像，其中該紫色部分是使用4' -6-二甲脒基-2-苯基吲朵(DAPI)做標定。然而這個標定程序是昂貴且耗時的，且妨礙即時偵測的應用。此外，由於生物反應對生物分子的三維結構的敏感度高，該引入螢光標記至偵測標的中標定程序會全然地影響分析結果。本發明利用SRS平台建構hMSC細胞內部影像，其不需前述的標定程序，但直接地偵測到依局部貼附之標的生物試劑而波動的SRS電漿共振轉變。該結果顯示於圖式11c，藉由評估在波長1850-2400 cm-1 下的反射係數來顯示培養在SRS樣本上hMSC的電漿影像。 很清楚地，根據hMSCs在本系統中的折射率分佈，我們觀察到明顯的細胞內部對比。例如：細胞核，一種膜構成之胞器，其內含密集的核酸及蛋白質，其和細胞核比週圍細胞質具有更高的折射率有關，所以可被輕易觀看到，如以紅色所呈現的，其對應到的最大共振頻率位移及最強反射強度。此外，其他顏色區域主要為細胞質，其對應到由細胞質的較低折射率所造成之較小共振頻率位移。簡言之，使用不需標定之SRSM的觀察型態顯示出結果與共軛焦螢光光學顯微鏡影像(如圖式11b所示)類似。hMSC細胞質中個別胞器的影像可進一步利用不對稱耦合之SRS結構來增強電漿共振的品質因數(Q-factor)。
100‧‧‧一影像成像裝置
110‧‧‧一光源
120‧‧‧一待測物
130‧‧‧一影像成像超材料
131‧‧‧一共振單元
132‧‧‧一黏附層
133‧‧‧一介電質
134‧‧‧一基質
140‧‧‧一元件，用以接收及傳送該測得之電磁波訊號
150‧‧‧一處理器
160‧‧‧一光偏極化元件
圖式1(a)~(e)顯示共振單元的可控制隙環結構。
圖式2 顯示一影像成像超材料裝置的架構。
圖式3 顯示一影像成像超材料裝置的架構。
圖式4 顯示一影像成像超材料裝置的圖解。
圖式5(a)~(b)(附件I)顯示該影像成像超材料獲得之細胞膜的光學影像及細胞膜的FPA影像，其中該虛線表示該影像成像超材料偵測的區域。
圖式6 顯示一影像成像超材料裝置的圖解。
圖式7(附件II)顯示PMMA及背景層面(不含PMMA)之計算的電磁波訊號。
圖式8(a)~(b)顯示PMMA之FPA的折射率影像及化學分佈影像。
圖式9(附件III)圖式9(a)顯示組裝平面SRS之SEM影像。該樣本包含5×5個SRS做為一單元元件，其利用標準電子束光刻及剝離製程製被得到。圖式9(b)為該設計的SRS圖解。該設計的SRS尺寸為a=780 nm、b=650 nm、w=100 nm，SRS厚度個別相等於50 nm。參數L等於2a+b。圖式9(c)顯示一設計的SRS樣本之標準化折射率頻譜，而插入圖為SEM照片。該黑色曲線(第一及第三模態)顯示偏極化方向與SRS圖樣中的桿平行之標準化反射係數頻譜；及該紅色曲線(第二模態)顯示偏極化方向與SRS圖樣中的桿垂直之標準化反射係數頻譜。圖式9(d)顯示該組裝的SRS樣本(上半部)及由一旋塗PMMA膜的薄層覆蓋於表面之SRS樣本(下半部)。上下半部圖式的尺寸皆為165×165μ m2 ，利用裝配有焦點平面陣列偵測器(64×64個偵測器元件)及15×物鏡(NA=0.4)之FT-IR影像系統，其像素解析度為2.7μ m，我們合併在2200 to 2800 cm-1 波長下該設計SRS結構第一個共振訊號的反射係數強度，且集合的電漿影像以偽色來呈現。
圖式10(附件IV)圖式10(a)顯示標準化的hMSC反射係數頻譜及其光學影像。其生化成分的官能基訊號主要個別地位於波長800-1800 cm-1(胺基基團)及2800-3200 cm-1 (脂質基團)。圖式10(b)顯示標準化的含有hMSC生長於表面之設計SRS的反射係數頻譜，及圖式10(c)顯示標準化的基本模態之設計SRS結構(不含hMSC)反射係數頻譜。該藍色曲線為SRS結構的反射係數頻譜及該綠色曲線為含有hMSC生長於表面之SRS結構的反射係數頻譜。其比較起單只有SRS樣本，由於介電環境的變化，多模態反射係數峰值上反應出一顯著的紅色位移。
圖式11(附件V)圖式11(a)顯示一未標定之SRS上hMSC的光學顯 微鏡影像。圖式11(b)顯示一hMSC的共軛焦螢光顯微影像。該紫色部分為hMSC細胞核，其以4' -6-二甲脒基-2-苯基吲朵(DAPI)標定。圖式11(c)顯示一含有hMSC生長於表面之設計SRS，其以反射模態在波長1850-2400 cm-1 下測量，利用裝配有焦點平面陣列偵測器(64×64個偵測器元件)及15×物鏡(NA=0.4)之FT-IR影像系統，藉由比較圖式11(b)，hMSC的細胞核部分可從SRSM被分辨出來。

Claims (11)

  1. 一種影像成像超材料，包含至少一個共振單元，具有一可控制的隙環結構，該可控制的隙環結構包含至少一切口及至少一節段，其中節段係由一節點相連或由一切口隔開，及其中該共振單元具有一多模態的電漿共振波長，其可由下列公式獲得：λm =2 neff L-λ0 (I)其中L係一個節段的長度或所有節段長度及切口寬度的總和，λm 係該共振單元或該共振單元中節段的一多模態的電漿共振波長，neff 係一介電環境之有效的折射率及λ0 係一背景波長，其中該影像成像超材料的共振單元複合一介電質及金屬。
  2. 根據申請專利範圍1所述之影像成像超材料，其中該節段係由一導電材料製備而成。
  3. 根據申請專利範圍1所述之影像成像超材料，其偵測一待測物之電磁波訊號。
  4. 根據申請專利範圍3所述之影像成像超材料，其中該電磁波訊號係一包含一共振頻率及一共振強度之共振頻譜。
  5. 根據申請專利範圍3所述之影像成像超材料，其中該電磁波訊號包含該待測物中一分子的一官能基共振訊號或該待測物的一折射率訊號。
  6. 根據申請專利範圍5所述之影像成像超材料，其用來獲得該待測物之一折射率(refractive index,RI)影像或一分子訊號(molecular signal,MS)影像。
  7. 一種影像成像裝置，包含： (1)一光源，用以提供一光至一待測物以產生該待測物之一電磁波訊號；(2)一種申請專利範圍1之影像成像超材料，用以偵測該待測物之一電磁波訊號，其中該待測物放置於該影像超材料上；(3)一元件，用以接收該影像成像超材料測得之該待測物電磁波訊號，並傳送該測得之該待測物電磁波訊號至一處理器；及(4)該處理器，用以根據該測得之該待測物電磁波訊號處理及產生一折射率(RI)影像或一分子訊號(MS)影像。
  8. 根據申請專利範圍7所述之裝置，其中該測得之該待測物電磁波訊號係一包含一共振頻率及一共振強度之共振頻譜。
  9. 根據申請專利範圍7所述之裝置，其中該電磁波訊號包含該待測物中一分子的一官能基共振訊號或該待測物的一折射率訊號。
  10. 一種製備申請專利範圍1之影像成像超材料之方法，包含以下步驟：(1)以下列公式計算該共振單元之該可控制的隙環結構：λm =2 neff L-λ0 (I)其中L係一個節段的長度或所有節段長度及切口寬度的總和，λm 係該共振單元或該共振單元中節段的一多模態的電漿共振波長，neff 係一有效的介電環境折射率及λ0 係一背景波長；(2)得到該節段之長度或該切口之寬度；(3)裝配步驟(2)得到之該節段及切口，以組成該影像成像超材料之該共振單元；及(4)複合一介電質及金屬於該共振單元上。
  11. 根據申請專利範圍10所述之方法，其中該影像成像超材料係用來取得該待測物之一折射率(RI)影像或一分子訊號(MS)影像。
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