TWI537553B - 反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置 - Google Patents

反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置 Download PDF

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TWI537553B
TWI537553B TW104102284A TW104102284A TWI537553B TW I537553 B TWI537553 B TW I537553B TW 104102284 A TW104102284 A TW 104102284A TW 104102284 A TW104102284 A TW 104102284A TW I537553 B TWI537553 B TW I537553B
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陳建興
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    • G01N21/554—Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance
    • G—PHYSICS
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    • G01N2201/08—Optical fibres; light guides

Description

反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置
本發明是有關於一種電漿共振感測系統及其感測裝置，特別是有關於一種反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置。
傳統的生物感測分析方法，大多需在醫療院所或專業實驗室使用精密且價格昂貴的儀器進行，或是需要進行標定後才能偵測，步驟冗長導致過程繁複與耗時。近年來生化感測平台朝向的成本低、微型化、即時偵測(real-time detection)等方向發展，使得免標定(label-free)的生物感測技術獲得了重視。自表面電漿共振(surface plasmon resonance,SPR)感測技術發現至今，已開發出許多利用表面電漿共振現象所發展的生物感測器。隨著奈米科技的進步，使得粒子電漿共振(particle plasmon resonance,PPR)感測技術被廣泛的研究，且應用於開發免標定的生物感測技術上。
然而，目前之粒子電漿共振感測技術係使用單一光束穿透或藉由二次反射與貴金屬奈米粒子產生粒子電漿共振，但其表現通常較差，亦較無法達到成本低、微型化、即時偵測之生物感測平台。
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反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置，利用波導材料結合多次全內反射與漸逝波效應，產生粒子電漿共振現象，而開發出一套探針式，並具備低成本、微型化、免標定、即時偵測以及高靈敏度之生物感測平台。
為達上述目的，本發明提供一種反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置，至少包含：中空之管狀波導元件，此管狀波導元件具有管壁，且於管壁之相對之第一端點及第二端點各設有開口；反射層，設置於管狀波導元件之管壁之第二端點上，其中入射光從第一端點入射管壁並於管壁中產生多次全內反射，並經由反射層反射而再次於管壁中產生多次全內反射，再由管壁之第一端點出射；以及貴金屬奈米粒子層，分佈於管壁之至少一壁面上，且具有複數個貴金屬奈米粒子，當待測樣品經由開口接觸管狀波導元件時，貴金屬奈米粒子層與待測樣品共同導致粒子電漿共振條件發生改變，而使得管壁中之入射光之訊號發生變化。
其中，管狀波導元件之材質可為可透光材質。
其中，貴金屬奈米粒子層可具有複數個貴金屬球狀奈米(nanoparticle)、複數個貴金屬棒狀奈米(nanorod)、複數個貴金屬殼狀奈 米(nanoshell)、複數個貴金屬環狀奈米(nanoring)、複數個貴金屬碟狀奈米(nanoplate)、複數個貴金屬樹枝狀奈米(dendrimer-like)、複數個貴金屬立方體奈米(nanocube)、複數個貴金屬棱柱狀奈米(nanoprism)、複數個貴金屬網狀奈米(nanonetwork)或其之組合。
其中，貴金屬奈米粒子層可修飾辨識單元，例如化學辨識分子、抗體(antibody)、抗原(antigen)、凝集素(lectin)、激素受體(hormone receptor)、核酸(nucleic acid)或醣類等，以應用在不同物質的檢測上。當待測樣品經由開口接觸管狀波導元件時，貴金屬奈米粒子層上之辨識單元與待測樣品中之待測分析物結合時，貴金屬奈米粒子與待測樣品中之待測分析物共同導致粒子電漿共振條件發生改變，而使得管壁中之入射光之訊號發生變化。
其中，管狀波導元件之第二端點之材質可為反射材質以作為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置之反射層。
其中，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置可更包含折射率調整層，設置於管狀波導元件之管壁之不具有貴金屬奈米粒子層之壁面或具有貴金屬奈米粒子層之壁面之一部分，以避免待測樣品接觸不具有貴金屬奈米粒子層之壁面時入射光受到外部環境之待測樣品干擾，其中折射率調整層之折射率低於管狀波導元件之折射率以應用於防止檢測時受到干擾。
此外，本發明更提供一種反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，至少包含：至少一發光裝置，提供至少一入射光；中空之管狀波導元件，此管狀波導元件具有管壁，且於管壁之相對之第一端點及第二 端點各設有開口，其中入射光係由第一端點入射管壁並於管壁中產生多次全內反射；反射層，設置於管狀波導元件之管壁之第二端點上，此反射層反射管壁中之入射光，以使得此入射光再次於管壁中產生多次全內反射並由管壁之第一端點出射；貴金屬奈米粒子層，分佈於管壁之至少一壁面上，且具有複數個貴金屬奈米粒子，當待測樣品經由開口接觸管狀波導元件時，貴金屬奈米粒子層與待測樣品共同導致粒子電漿共振條件發生改變，而使得管壁中之入射光之訊號發生變化；以及至少一光偵測器，設置於管狀波導元件之第一端點側，此光偵測器偵測由第一端點出射之出射光，以判讀待測樣品。
其中，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統可更包含折射率調整層，設置於管狀波導元件之管壁之不具有貴金屬奈米粒子層之壁面或具有貴金屬奈米粒子層之壁面之一部分，以避免待測樣品接觸不具有貴金屬奈米粒子層之壁面時入射光受到外部環境之待測樣品干擾，其中折射率調整層之折射率低於管狀波導元件之折射率以應用於防止檢測時受到干擾。
其中，貴金屬奈米粒子層可更修飾辨識單元，以應用在不同物質的檢測上，其中當待測樣品經由開口接觸管狀波導元件，辨識單元與待測樣品之待測分析物結合時，導致粒子電漿共振條件發生改變，而使得管壁中之入射光之訊號發生變化。
其中，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統可更包含移動裝置，此移動裝置容置發光裝置、管狀波導元件、反射層、貴金屬奈米粒子層以及光偵測器，以移動發光裝置、管狀波導元件、反射 層、貴金屬奈米粒子層以及光偵測器之位置。其中，當本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統更包含折射率調整層時，移動裝置亦容置折射率調整層以移動折射率調整層相對於待測樣品之位置。
其中，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統可更包含至少一樣品溶槽，此樣品溶槽容置待測樣品且置放於管狀波導元件之一側。
其中，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統可更包含吸取裝置設置於管狀波導元件之一側，以吸取待測樣品通過管狀波導元件。
其中，管狀波導元件之材質可為可透光材質。
因此，依本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置，可具有一或多個下述優點：
(1)藉由管狀波導元件具有較良好之機械強度，藉以不需有額外封裝感測晶片之動作，進而可降低製造時間與成本。
(2)藉由相對之二端均具有開口之中空之管狀波導元件以作為感測元件，藉以易於開發成微型化的生物感測平台。
(3)藉由具有二端開口之中空管狀波導元件只作為感測元件，並將其與系統元件結合於三軸移動平台之上，可增加平台穩定度，藉由控制三軸移動平台之Z軸，將中空管狀波導材料置入樣品溶液中進行檢測，此方式可避免氣泡產生之問題，並有效減少系統對位上的錯誤。
(4)藉由具有二端開口之中空管狀波導元件作為感測元件，藉以使內外管壁皆能成為檢測區域，因此在相同的樣品使用量之下，本發明可具有更多之感測區域面積。
(5)藉由反射層使得本發明之感測系統成為反射式的感測平台(反射式係指，光源與偵測器呈異向同側)，以藉著入射光經二次光學路徑之傳遞，而提升粒子電漿共振效應，進而使得感測靈敏度(sensor sensitivity)得以提升。
(6)藉由具有二端開口之中空管狀波導元件以探針的形式進行檢測，藉以使得其樣品溶槽(sample holder)可依使用者端之需求(例如：ELISA 96 well盤、離心管以及樣品瓶等樣品溶槽)，進行多形式的偵測分析(例如：動植物疾病、環境監控及農漁業檢測等)，進而提升使用者的便利性。
110‧‧‧管狀波導元件
110a‧‧‧管壁
111‧‧‧第一端點
112‧‧‧第二端點
113‧‧‧檢測區域
113a‧‧‧外側壁面
113b‧‧‧內側壁面
114、115‧‧‧開口
120‧‧‧反射層
130‧‧‧貴金屬奈米粒子層
140‧‧‧折射率調整層
210‧‧‧函數產生器
220‧‧‧發光裝置
230‧‧‧光偵測器
241‧‧‧第一光纖
242‧‧‧第二光纖
250‧‧‧印刷電路板
260‧‧‧類比轉數位訊號擷取元件
270‧‧‧處理裝置
280‧‧‧顯示裝置
290‧‧‧吸取裝置
300‧‧‧溶槽盤
301、302‧‧‧樣品溶槽
400‧‧‧移動裝置
A1‧‧‧區域
第1圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統之系統示意圖。
第2圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置之結構示意圖。
第3圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置之不同類型之中空管狀波導材料之示意圖。
第4圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，對不同折射率溶液之即時偵測圖。
第5圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，偵測不同折射率溶液之檢量線圖。
第6圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，對不同濃度卵白蛋白抗體標準品溶液之即時偵測圖。
第7圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，偵測不同濃度卵白蛋白抗體之檢量線圖。
請參閱第1圖至第3圖，第1圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統之系統示意圖，第2圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置之結構示意圖，第3圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置之不同類型之中空管狀波導材料之示意圖。
如第1圖至第3圖所示，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統至少包含至少一發光裝置220、反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100以及光偵測器230。其中，反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100至少包含中空之管狀波導元件110、反射層120以及貴金屬奈米粒子層130。其中，中空之管狀波導元件110具有管壁110a，且於管壁110a之相對之第一端點111以及第二端點112各具有開口114及115，以使得中空之管狀波導元件110成為具有二端開口之管狀波導元件。其中，管狀波導元件110之材質可為一可透光材質，藉以使得管狀波導元件110呈現透明狀或半透明狀。舉例來說，管狀波導元件110之材質可例如為玻璃、透明橡膠或其他可於其管壁中傳輸光線之材料。其中，管狀波導元 件110之機械強度可優於習知之光纖。其中，管狀波導元件110之長度可例如約為30毫米(mm)、外徑可例如約為5毫米，管壁110a之壁厚可例如約為0.8毫米，然而本發明並不局限於此。此外，管狀波導元件110之形狀可例如為圓柱(如第3圖之(a)所示)、方柱(如第3圖之(b)所示)或上寬下窄之漏斗形柱(如第3圖之(c)所示)，然而本發明並不局限於此。舉例來說，本發明之管狀波導元件110之形狀亦可例如為多邊形柱或上窄下寬之錐形體。
而貴金屬奈米粒子層130則分布於管狀波導元件110之管壁110a之至少一壁面上，且具有複數個貴金屬奈米粒子，當待測樣品經由開口115接觸管狀波導元件110，貴金屬奈米粒子層130上之辨識單元與待測樣品中之待測分析物結合時，貴金屬奈米粒子層130與該待測樣品中之一待測分析物會共同導致粒子電漿共振(particle plasmon resonance,PPR)條件發生改變，而使得管壁110a中之入射光之訊號發生變化。
其中，貴金屬奈米粒子可例如為貴金屬球狀奈米(nanoparticle)、貴金屬棒狀奈米(nanorod)、貴金屬殼狀奈米(nanoshell)、貴金屬環狀奈米(nanoring)、貴金屬碟狀奈米(nanoplate)、貴金屬樹枝狀奈米(dendrimer-like)、貴金屬立方體奈米(nanocube)、貴金屬棱柱狀奈米(nanoprism)、貴金屬網狀奈米(nanonetwork)、其他適合之貴金屬奈米粒子或上述之組合，且貴金屬奈米粒子之材質可例如為金、銀、鉻、鐵、銅或石墨烯或其他適合之貴金屬。
舉例來說，管狀波導元件110可例如具有檢測區域113，且檢測區域113位於及/或鄰近於第二端點112。其中，檢測區域113中之管 壁110a具有面向外側之外側壁面113a以及面向內側之內側壁面113b，並且貴金屬奈米粒子層130可塗佈或形成於外側壁面113a及內側壁面113b上，藉以使得待測樣品可接觸位於外側壁面113a上之貴金屬奈米粒子層130以及接觸位於內側壁面113b上之貴金屬奈米粒子層130，以增加射入管壁110a中之入射光之訊號之變化量。其中，管狀波導元件110可先經過清洗檢測區域113以去除檢測區域113之雜質之步驟後，再形成貴金屬奈米粒子層130於外側壁面113a及內側壁面113b上。此外，貴金屬奈米粒子層130上亦可再修飾辨識單元(未繪示)，例如化學辨識分子、抗體(antibody)、抗原(antigen)、凝集素(lectin)、激素受體(hormone receptor)、核酸(nucleic acid)或醣類等，以應用於不同待測分析物之檢測上。其中，每一種辨識單元可增加其所對應之待測分析物之結合力，藉以增加射入管壁110a中之入射光之訊號之變化量。
另外，反射層120則設置於管狀波導元件110之管壁110a之第二端點112上，使得當一入射光從管壁110a之第一端點111射入管壁110a後並於管壁110a中產生多次全內反射，以使得此入射光於檢測區域113中之外側壁面113a及內側壁面113b上均產生多次之漸逝波，而使得此入射光之訊號發生變化。之後，當此入射光經過第二端點112並到達反射層120後，此反射層120會反射此入射光以使得此入射光繼續朝向第一端點111前進，且於此入射光朝向第一端點111前進之過程中，其會再次於管壁110a中產生多次全內反射，而使得此入射光於檢測區域113中之外側壁面113a及內側壁面113b上均再次產生多次之漸逝波，進而更增加此入射光之訊號之變化量。之後，此入射光再從管壁110a之第一端點111出 射。其中，管狀波導元件110於第二端點112處之材質可例如為反射材質以作為本發明之反射層120，且於此情況中，檢測區域113係位於鄰近於第二端點112處且鄰接於反射層120。此外，本發明之反射層120亦可額外地設置於管狀波導元件110之第二端點112處，並且鄰接於檢測區域113。
因此，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100可藉由管狀波導元件110具有較良好之機械強度，藉以不需有額外封裝感測晶片之動作，進而可降低製造時間與成本。另外，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100亦可藉由相對之二端均具有開口之中空之管狀波導元件110以作為感測元件，藉以易於開發成微型化的生物感測平台。並且，由於中空管狀波導元件110之管壁110a之外側壁面113a及內側壁面113b均可接觸到待測樣品，因此在相同的樣品使用量之下，本發明可具有更多之感測區域面積。除此之外，藉由反射層120使得本發明之感測系統成為反射式的感測平台(反射式係指，光源與偵測器呈異向同側)，以藉著入射光經二次光學路徑之傳遞，而提升粒子電漿共振效應，進而使得感測靈敏度(sensor sensitivity)得以提升。
除此之外，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置可更包含折射率調整層140。其中，折射率調整層140可設置於管狀波導元件110之管壁110a之部分壁面上，例如設置於管狀波導元件110之管壁110a之不具有貴金屬奈米粒子層130之壁面上，用於當入射光進入不具有貴金屬奈米粒子層130之部分之管壁110a中且待測樣品與其接觸時，折射率調整層140可避免此入射光受到外部環境之待測樣品干擾而造成之光訊號異常之情況發生。其中，折射率調整層140之折射率係 低於管狀波導元件110之折射率，以應用在防止檢測干擾。然而發明人要強調的是，當本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置具有折射率調整層140時，其折射率調整層140不應僅侷限於不具有貴金屬奈米粒子層130之壁面上，相對的，折射率調整層140除了設置於不具有貴金屬奈米粒子層130之壁面上外，亦可因為製程或其他之關係，而設置於具有貴金屬奈米粒子層130之壁面(例如外側壁面113a及內側壁面113b)之一部分上。
此外，發光裝置220提供至少一入射光，以使得此入射光由第一端點111處射入管狀波導元件110之管壁110a中，且此入射光於管壁110a中會產生多次全內反射。當此入射光經位於第二端點112處之反射層120而反射回檢測區域113並再次於管壁110a中產生多次全內反射後，會於第一端點111出射以變成出射光。而光偵測器230設置於管狀波導元件110之第一端點111側，並接收及偵測從第一端點111出射之出射光以判讀待測樣品之特性(例如類型、折射率、濃度等)。
舉例來說，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統可更包含樣品溶槽301容置一待測樣品，且樣品溶槽301置放於管狀波導元件110之第二端點112側，使得當反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100以探針之形式置入樣品溶槽301中時，樣品溶槽301容置之待測樣品會藉由開口115而進入管狀波導元件110中並接觸內側壁面113b上之貴金屬奈米粒子層130。此外，樣品溶槽301容置之待測樣品亦會接觸到外側壁面113a上之貴金屬奈米粒子層130，藉以使得在相同的待測樣品使用量之下，本發明可具有更多之感測區域面積。其中，本發明之反射式管狀 波導粒子電漿共振感測系統可更包含吸取裝置290設置於管狀波導元件110之第一端點111側，以吸取待測樣品通過管狀波導元件110，藉以減少待測樣品通過管狀波導元件110之時間。其中，樣品溶槽301可例如為ELISA 96 well盤、離心管、樣品瓶或其他符合使用者之需求之樣品溶槽。
此外，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統亦可更包括溶槽盤300設置於管狀波導元件110之第二端點112側，且溶槽盤300具有複數個樣品溶槽301及302以各別容置不同之待測樣品，藉以使得反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100可依序置入樣品溶槽301及302中以加速整體之感測時間。舉例來說，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統更可包含移動裝置400容置發光裝置220、光偵測器230以及具有管狀波導元件110、反射層120及貴金屬奈米粒子層130之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100，以移動發光裝置220、光偵測器230以及具有管狀波導元件110、反射層120及貴金屬奈米粒子層130之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100之位置，藉以使得反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100可依序置入溶槽盤300中之樣品溶槽301及302。其中，發光裝置220、光偵測器230及反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100可各別崁入、吸附於或設置於移動裝置400之不同處。並且，移動裝置400可例如為三軸移動平台以可各別沿著三軸方向移動發光裝置220、光偵測器230及反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100。此外，當反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100更具有前述之折射率調整層140時，移動裝置400係容置發光裝置220、光偵測器230以及具有管狀波導元件110、反射層120、貴金屬奈米粒子層130及折射率調整層140之 反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100，以移動發光裝置220、光偵測器230以及具有管狀波導元件110、反射層120、貴金屬奈米粒子層130及折射率調整層140之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100之位置。
因此，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統可藉由具有二端開口之中空管狀波導元件110以探針的形式進行檢測，藉以使得其樣品溶槽301及302可依使用者端之需求(例如：ELISA 96 well盤、離心管以及樣品瓶等樣品溶槽)，進行多形式的偵測分析(例如：動植物疾病、環境監控及農漁業檢測等)，進而提升使用者的便利性。再者，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統可藉由具有二端開口之中空管狀波導元件110只作為感測元件，並將其與系統元件結合於三軸移動平台之上，可增加平台穩定度，藉由控制三軸移動平台之Z軸，將中空管狀波導材料置入樣品溶液中進行檢測，此方式可避免氣泡產生之問題，並有效減少系統對位上的錯誤。
除此之外，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統可更包含函數產生器210，且函數產生器210電性連接發光裝置220以控制發光裝置220發出之光線之參數(例如波長、光強度等)。例如，函數產生器210可控制發光裝置220發出波長約略為530奈米(nm)之綠光光源以作為射入管壁110a中之入射光，然而本發明並不局限於此。此外，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統亦可更包含第一光纖241，設置於發光裝置220及管狀波導元件110之間。舉例來說，第一光纖241之一端點連接於管狀波導元件110之管壁110a之第一端點111，而另一端點則連 接於發光裝置220，藉以使得發光裝置220發出之光線可經由第一光纖241而射入管狀波導元件110之管壁110a以作為入射光，藉此，入射光可準確地耦合入管狀波導元件110之管壁110a中並於管壁110a中進行多次之全內反射。其中，發光裝置220之數量可為複數個，且各別經由對應之第一光纖241而由管壁110a之第一端點111之不同區域射入至管壁110a中，藉以增加入射光之整體光強度。
另外，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統亦可更包含第二光纖242設置於光偵測器230及管狀波導元件110之間。舉例來說，第一光纖241之一端點連接於管狀波導元件110之管壁110a之第一端點111，而另一端點則連接於光偵測器230，藉以使得從管壁110a之第一端點111處射出之出射光可經由第二光纖242之引導而準確地到達光偵測器230，以使得光偵測器230可接收較完整之出射光。其中，第二光纖242之數量亦可為複數個，且第二光纖242及第一光纖241可以一順序排列於管狀波導元件110之管壁110a之第一端點111。其中，管壁110a之第一端點111與第一光纖241及第二光纖242之接點之截面圖可例如為區域A1。
舉例來說，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統可於管狀波導元件110之管壁110a之第一端點111上依序設置一個第一光纖241及二個第二光纖242，且於第二光纖242之另一側邊再依序設置第一光纖241及二個第二光纖242。也就是說，第一光纖241之數量可為4個，第二光纖242之數量可為8個，且第一光纖241及第二光纖242係依序間隔排列。然而本發明並不局限於此，第一光纖241之數量亦可例如為2、4、6、8或10個，而對應之第二光纖242之數量可例如為10、8、6、4或2個， 且第一光纖241及第二光纖242係依序間隔排列，藉以使得第一光纖241及第二光纖242均可平均分配。藉此，可使得光偵測器230接收較完整之出射光。
而當光偵測器230接收到出射光後，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統可得知出射光之光強度，並藉以得到待測樣品之特性。舉例來說，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統可更包含印刷電路板250、類比轉數位訊號擷取元件260及處理裝置270。其中，印刷電路板250電性連結於類比轉數位訊號擷取元件260及光偵測器230之間，並將光偵測器230接收到之光強度訊號傳送給類比轉數位訊號擷取元件260。此外，類比轉數位訊號擷取元件260亦電性連接函數產生器210以接收函數產生器210所產生之光線之光訊號強度。也就是說，類比轉數位訊號擷取元件260可從函數產生器210處接收到射入管狀波導元件110之管壁110a之入射光之光訊號強度，以及從印刷電路板250處接收到光偵測器230所偵測到之射出管壁110a之出射光之光訊號強度。之後，類比轉數位訊號擷取元件260將接收到之入射光及出射光之光訊號強度轉為數位訊號，並傳送至與其電性連接之處理裝置270。而處理裝置270再將接收到之數位訊號進行運算或比對處理，藉以得到待測樣品之特性(例如類型、折射率、濃度等)。此外，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統更可包含顯示裝置280電性連接處理裝置270，使得處理裝置270可將處理後所得之結果及/或接收到之數位訊號(會經處理而還原得到之類比訊號)傳送至顯示裝置280，並使得顯示裝置280顯示處理裝置270處理後所得之結果及/或接收到之訊號。也就是說，本發明之反射式管 狀波導粒子電漿共振感測系統可藉由顯示裝置280顯示結果及/或訊號，藉以使得操作者可即時得知檢測訊號及/或檢測結果。其中，類比轉數位訊號擷取元件260可例如為常見或其他習知之訊號處理及資料擷取卡，處理裝置270可例如微電腦。
此外，為了證明本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置確實具有優異之感測能力。發明人更利用不同樣品折射率之待測樣品(例如具有不同折射率之蔗糖水溶液)，以及利用不同樣品濃度之待測樣品，以各別測試本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置之折射率感測能力以及生物化學檢測能力。
請接續參閱第4圖至第5圖，第4圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，未修飾辨識單元，對不同折射率溶液之即時偵測圖，第5圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，偵測不同折射率溶液之檢量線圖。其中，第4圖中之標號1-7係各別代表著反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100置入至不同折射率之待測樣品(例如蔗糖水溶液)中。其中，標號與待測樣品折射率之對應關係如表1所示。
在此測試量測中，係在樣品溶槽中各別注入不同折射率之蔗糖水溶液(各別為去離子水及標號1-7所對應之蔗糖水溶液)，之後再各別將反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100置入樣品溶槽中，進行不同折射率溶液下之即時偵測(其時間與出射光訊號強度圖如第4圖所示)。而於處理裝置270進行數據處理時，則以反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100偵測去離子水溶液時之訊號，作為基準進行歸一化(normalization)，將歸一化後之訊號(I/I0)對折射率作圖，並藉以得到線性迴歸之結果(如第5圖所示)。而由第4圖及第5圖所顯示之結果可知，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置之出射光訊號強度會隨著折射率上升而下降，所得之溶液折射率感測靈敏度(sensor sensitivity)為-6.17 RIU-1，折射率感測解析度(sensor resolution)為2.21×10-5 RIU，在此驗證了本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置，可進行不同折射率溶液下的光訊號進行即時偵測，並具有良好的線性結果。
此外，請接續參閱第6圖至第7圖，第6圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，辨識單元為卵白蛋白(ovalbumin,OVA)，對不同濃度卵白蛋白抗體(anti-ovalbumin,anti-OVA)標準品溶液之即時偵測圖，第7圖係為本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，偵測不同濃度卵白蛋白抗體之檢量線圖。其中，第6圖中之標號1-6係各別代表著反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100置入至不同抗體濃度之待測樣品中。其中，標號與待測樣品之抗體濃度之對應關係如表2所示。
在此測試量測中，係於貴金屬奈米粒子層130之表面上修飾上辨識單元(例如卵白蛋白(OVA))後進行測試。其中，係於不同之樣品溶槽中容置不同濃度之卵白蛋白抗體(anti-OVA)，且以磷酸緩衝溶液(phosphate buffered saline,PBS)做為參考訊號。之後，再各別將反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置100置入樣品溶槽中，進行不同抗體濃度溶液下之即時偵測(其時間與出射光訊號強度圖如第6圖所示)。其中，於本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統中，出射光之光訊號強度，會隨著待測分析物藉由擴散作用而使得鍵結上辨識單元之數量增加而呈現一分子結合動力學曲線的下降方式，以達到動態平衡。而於處理裝置270進行數據處理時，利用待測樣品為緩衝溶液時之偵測到之出射光之光訊號強度作為基準進行歸一化，將歸一化後之訊號對抗體濃度取對數後作圖，則可得到其線性迴歸之結果(如第7圖所示)。由結果可知，對抗體濃度進行偵測之偵測極限(limit of detection,LOD)約為5.71×10-7g/mL(3.81×10-9M)，在此驗證了本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置可進行折射率變化非常微量的生物化學反應量測。
因此，本發明之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統及其感測裝置確實具有優異之感測能力。
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。
100‧‧‧反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置
110‧‧‧管狀波導元件
110a‧‧‧管壁
111‧‧‧第一端點
112‧‧‧第二端點
113‧‧‧檢測區域
113a‧‧‧外側壁面
113b‧‧‧內側壁面
114、115‧‧‧開口
120‧‧‧反射層
130‧‧‧貴金屬奈米粒子層
140‧‧‧折射率調整層
290‧‧‧吸取裝置

Claims (13)

  1. 一種反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置，至少包含：一中空之管狀波導元件，具有一管壁，且該管狀波導元件於該管壁之相對之一第一端點及一第二端點各設有一開口；一反射層，設置於該管狀波導元件之該管壁之該第二端點上，其中一入射光從該第一端點入射該管壁並於該管壁中產生多次全內反射，並經由該反射層反射而再次於該管壁中產生多次全內反射，再由該第一端點出射；以及一貴金屬奈米粒子層，分佈於該管壁之至少一壁面上，且具有複數個貴金屬奈米粒子，當該待測樣品經由該開口接觸該管狀波導元件，該些貴金屬奈米粒子與該待測樣品共同導致一粒子電漿共振條件發生改變，而使得該管壁中之該入射光之一訊號發生變化；其中，一檢測區域係位於或鄰近於該第二端點，且該檢測區域中的該管壁的一外側壁面與一內側壁面設有該貴金屬奈米粒子層，以使該待測樣品接觸位於該外側壁面上之該貴金屬奈米粒子層以及接觸位於該內側壁面上之該貴金屬奈米粒子層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置，其中該管狀波導元件之材質係為一可透光材質。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置，其中該貴金屬奈米粒子層係具有複數個貴金屬球狀奈米、複數個貴金屬棒狀奈米、複數個貴金屬殼狀奈米、複數個貴金屬環狀奈米、複數個貴金屬碟狀奈米、複數個貴金屬樹枝 狀奈米、複數個貴金屬立方體奈米、複數個貴金屬棱柱狀奈米或複數個貴金屬網狀奈米。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置，其中該貴金屬奈米粒子層更修飾一辨識單元，以應用在不同物質的檢測上，其中當該待測樣品經由該開口接觸該管狀波導元件，該辨識單元與該待測樣品之該待測分析物結合時，導致該粒子電漿共振條件發生改變，而使得該管壁中之該入射光之該訊號發生變化。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置，其中該管狀波導元件之該第二端點之材質係為一反射材質以作為該反射層。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之反射式管狀波導粒子電漿共振感測裝置，更包含一折射率調整層，設置於該管狀波導元件之該管壁之一不具有該貴金屬奈米粒子層之壁面或具有該貴金屬奈米粒子層之該壁面之一部分，以避免該待測樣品接觸該不具有該貴金屬奈米粒子層之壁面時該入射光受到外部環境之該待測樣品干擾，其中該折射率調整層之折射率低於該管狀波導元件之折射率。
  7. 一種反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，至少包含：至少一發光裝置，提供至少一入射光；一中空之管狀波導元件，具有一管壁，且該管狀波導元件於該管壁之相對之一第一端點及一第二端點各設有一開口，其中該入射光係由該第一端點入射該管壁並於該管壁中產生多次全內反射； 一反射層，設置於該管狀波導元件之該管壁之該第二端點上，該反射層反射該管壁中之該入射光，以使得該入射光再次於該管壁中產生多次全內反射而由該第一端點出射；一貴金屬奈米粒子層，分佈於該管壁之至少一壁面上，且具有複數個貴金屬奈米粒子，當該待測樣品經由該開口接觸該管狀波導元件，該些貴金屬奈米粒子與該待測樣品共同導致一粒子電漿共振條件發生改變，而使得該管壁中之該入射光之一訊號發生變化；以及至少一光偵測器，設置於該管狀波導元件之該第一端點側，該光偵測器偵測由該第一端點出射之一出射光，以判讀該待測樣品；其中，一檢測區域係位於或鄰近於該第二端點，且該檢測區域的該管壁的一外側壁面與一內側壁面設有該貴金屬奈米粒子層，以使該待測樣品接觸位於該外側壁面上之該貴金屬奈米粒子層以及接觸位於該內側壁面上之該貴金屬奈米粒子層。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，更包含一移動裝置容置該發光裝置、該管狀波導元件、該反射層、該貴金屬奈米粒子層以及該光偵測器，以移動該發光裝置、該管狀波導元件、該反射層、該貴金屬奈米粒子層以及該光偵測器之位置。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，更包含至少一樣品溶槽容置該待測樣品且置放於該管狀波導元件之一側。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，更包含一吸取裝置設置於該管狀波導元件之一側，以吸取該待測樣品通過該管狀波導元件。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，其中該管狀波導元件之材質係為一可透光材質。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，更包含一折射率調整層，設置於該管狀波導元件之該管壁之一不具有該貴金屬奈米粒子層之壁面或具有該貴金屬奈米粒子層之該壁面之一部分，以避免該待測樣品接觸該不具有該貴金屬奈米粒子層之壁面時該入射光受到外部環境之該待測樣品干擾，其中該折射率調整層之折射率低於該管狀波導元件之折射率。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之反射式管狀波導粒子電漿共振感測系統，其中該貴金屬奈米粒子層更修飾一辨識單元，以應用在不同物質的檢測上，其中當該待測樣品經由該開口接觸該管狀波導元件，該辨識單元與該待測樣品之該待測分析物結合時，導致該粒子電漿共振條件發生改變，而使得該管壁中之該入射光之該訊號發生變化。
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