TWI582403B - 感測晶片 - Google Patents

感測晶片 Download PDF

Info

Publication number
TWI582403B
TWI582403B TW104143507A TW104143507A TWI582403B TW I582403 B TWI582403 B TW I582403B TW 104143507 A TW104143507 A TW 104143507A TW 104143507 A TW104143507 A TW 104143507A TW I582403 B TWI582403 B TW I582403B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
substrate
sensing wafer
metal
sensing
layer
Prior art date
Application number
TW104143507A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201723462A (zh
Inventor
林鼎晸
高豐生
施亭宇
陳品誠
朱仁佑
Original Assignee
財團法人工業技術研究院
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 財團法人工業技術研究院 filed Critical 財團法人工業技術研究院
Priority to TW104143507A priority Critical patent/TWI582403B/zh
Priority to US14/983,568 priority patent/US10012646B2/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI582403B publication Critical patent/TWI582403B/zh
Publication of TW201723462A publication Critical patent/TW201723462A/zh

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54393—Improving reaction conditions or stability, e.g. by coating or irradiation of surface, by reduction of non-specific binding, by promotion of specific binding
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54353—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals with ligand attached to the carrier via a chemical coupling agent
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/551—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being inorganic
    • G01N33/553—Metal or metal coated

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

感測晶片
本揭露是有關於一種晶片，且特別是有關於一種感測晶片。
局部化表面電漿共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)技術是一種免螢光標定的檢測方式。除了可縮短檢測的流程與時間外，也不會發生因立體空間障礙而造成二次抗體(含螢光分子)接枝困難的問題。但目前LSPR晶片的靈敏度和傳統的ELISA法相比，靈敏度較低。主要原因除了電漿共振光譜較寬外，對於待測分子能否靠近金屬奈米結構上的感測熱點(hot spot)位置以產生有效的光譜位移也是一大重點。因此，如何使待測物有效地接枝在金屬奈米結構上，是目前研究人員急欲解決的問題。
本揭露提供一種感測晶片，其具有高靈敏度以及對於待測分子的濃度具有高線性度。
本揭露提供一種感測晶片，其包括基板、多個金屬奈米結構、第一表面修飾層以及第二表面修飾層。金屬奈米結構位於基板上。第一表面修飾層位於金屬奈米結構的表面上，其中第一表面修飾層包括多個具有硫醇基的分子。第二表面修飾層位於基板的表面上，第二表面修飾層包括多個具有矽烷基的分子。
基於上述，由於本揭露之感測晶片的金屬奈米結構與基板間相距一距離，使得感測熱點由基板處調高並使感測熱點裸露，因此具有較高的靈敏度。此外，本揭露之感測晶片經過兩階段的表面修飾，因此除了可以增加待測物接枝在有效感測區的機率，也降低了因待測物沾黏在非感測區所造成的雜訊干擾，進而提升在不同待測分子濃度下與訊號的線性關係以及提高感測的靈敏度。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A至圖1F為依照本揭露的第一實施例所繪示的感測晶片的製作流程剖面示意圖。首先，提供基板100，基板100例如是玻璃基板。基板100上已形成有光阻層110以及位於此光阻層110上的圖案化的罩幕層120。在本實施例中，光阻層110為有機光阻層，而圖案化的罩幕層120為圖案化的無機光阻層。形成圖案化的罩幕層120的方法例如是在光阻層110上形成無機光阻層，然後再透過藍光雷射熱微影(blue ray laser thermal lithography)製程使無機光阻產生相變化，藉此將無機光阻層圖案化。圖案化的罩幕層120具有多個開口122，所述開口122裸露出 部分的光阻層110。在本實施例中，開口122所裸露的區域是用來定義金屬奈米結構的預定區域。
接著，請參照圖1B，以圖案化的罩幕層120作為蝕刻罩幕，進行蝕刻製程，移除開口122所裸露出的部分光阻層110，以形成多個彼此分隔的堆疊結構130。蝕刻製程可為等向性乾蝕刻製程或非等向性乾蝕刻製程。等向性乾蝕刻製程例如是反應式離子蝕刻(Reactive Ion Etching,RIE)。非等向性乾蝕刻製程例如是感應耦合式電漿蝕刻(Inductively Coupled Plasma etching,ICP)。堆疊結構130包括圖案化的光阻層111與其上的圖案化的罩幕層120。在此步驟中，圖案化的罩幕層120的圖案轉移至圖案化的光阻層111，也就是說，圖案化的光阻層111的圖案位置大致對應著圖案化的罩幕層120。
然後，請參照圖1C，在相鄰堆疊結構130之間的基板100上以及每一個堆疊結構130上形成金屬材料層140，其中堆疊結構130與其上的金屬材料層140構成堆疊結構132。形成金屬材料層140的方法例如是電子束蒸鍍法(e-beam evaporation)。金屬材料層140的材料例如是銀、金、鉑、銅、鋁或其組合，但本揭露不限於此。金屬材料層140的厚度例如是10nm至100nm。根據本實施例，由於圖案化的光阻層111以及圖案化的罩幕層120的高度夠高(<140nm)，因此於形成金屬材料層140時，沈積在基板100上的金屬材料層140與沈積在圖案化的罩幕層120上的金屬材料層140分離開來。
之後，移除基板100上的每一個堆疊結構132。移除堆疊 結構132的方法包括進行濕式剝除法、乾式剝除法或其組合。更細而言，藉由濕式蝕刻或是乾式蝕刻法以移除圖案化的光阻層111的同時，可同時將位於圖案化的光阻層111上的圖案化的罩幕層120以及金屬材料層140剝除。接著，如圖1D所示，再進行熱回火製程，以使得基板100上的金屬材料層140形成多個金屬奈米結構142。根據本實施例，相鄰金屬奈米結構142之間具有開口144，所述開口144裸露出部分的基板100。金屬奈米結構142的大小L1例如是介於10nm至900nm。金屬奈米結構142的高度H1例如是介於10nm至100nm。
在本實施例中，如圖1C以及圖1D所示，圖案化的罩幕層120的開口122是以週期性且規則性的方式分布。因此每一個開口122之位置分別對應著每一個金屬奈米結構142。也就是說，該些金屬奈米結構142以週期性且規則性排列於基板100上，且其排列的位置圖案對應著上述開口122。該些金屬奈米結構142之週期P例如是介於15nm至1000nm，其中P>L1。週期性排列的結構具有高均勻度的優點，不會因為量測位置的改變而影響訊號強度。此外，在本實施例中，金屬奈米結構142的形狀為半球型(如圖1D所示)。在另一實施例中，亦可為圓柱型、碟盤型、蛾眼型、三角柱型或上述的組合，但本揭露不限於此，本領域通常知識者可依其需求而改變金屬奈米結構的形狀。
而後，請參照圖1E，於金屬奈米結構142的表面上形成表面修飾層150，用以捕捉待測分子(例如病毒、抗原或蛋白質)對應的抗體(antibody)或核酸適體(aptamer)。表面修飾層150 包括具有多個硫醇基(-SH)的分子152。具有硫醇基的分子152例如是11-疏基十一烷酸(11-mercaptoundecanoic acid,11-MUA)、11-巰基十一胺(11-Amino-1-undecanethiol,11-AUT)、半胱胺(Cysteamine)、4-氨基苯硫酚(4-Aminothiophenol)、4-甲基苯硫酚(4-Methylthiophenol)、硫醇化核酸適體(thiolated aptamer)或其組合。形成表面修飾層150的方法例如是將圖1D所示之整體結構浸泡至上述化合物之溶液中。在浸泡的過程中，具有硫醇基的分子152的一端硫醇基與金屬奈米結構142的表面之金屬產生反應以形成共價鍵。
雖然在圖1E中可以看到表面修飾層150與部分的基板100接觸，但圖1E僅為示例用，在本實施例中，由於具有硫醇基的分子152僅會與金屬反應而不會與基板100反應，因此僅會在金屬奈米結構142的表面上形成表面修飾層150，並不會在基板100的表面上形成表面修飾層150。圖1E所繪示的表面修飾層150為示意圖，表面修飾層150與基板100之間由於不會產生反應，因而表面修飾層150之分子實際上不會形成在基板100表面。
此外，在本實施例中，待測分子對應的抗體或核酸適體可有效地與表面修飾層150接枝(conjugation)，因此可提高待測分子被固定(immobilized)在有效感測區的機率，進而提升晶片感測的靈敏度。
其後，請參照圖1F，於基板100的表面上形成表面修飾層160，用以抵抗待測分子沾黏。表面修飾層160包括具有多個矽烷基的分子162。具有矽烷基的分子162例如二乙醇矽烷（Poly(ethylene glycol)-silane, PEG-silane）、聚乙烯吡咯烷酮矽烷（Polyvinylpyrrolidone-silane, PVP-silane）、聚氧化乙烯矽烷（Polyethyleneoxide-silane, PEO-silane）或其組合。形成表面修飾層160的方法例如是將圖1E所示之整體結構浸泡至上述化合物之溶液中。在浸泡的過程中，具有矽烷基的分子162的矽烷基與基板100的表面之二氧化矽產生反應以形成共價鍵。至此，即完成感測晶片10的製作。
在本實施例中，由於具有矽烷基的分子162僅會與基板100反應而不會與金屬奈米結構142反應，因此僅會在基板100的表面上形成表面修飾層160，並不會在金屬奈米結構142的表面上形成表面修飾層160。類似地，圖1F所繪示的表面修飾層160為示意圖，表面修飾層160與金屬奈米結構142之間由於不會產生反應，因而表面修飾層160之分子實際上不會形成在金屬奈米結構142的表面。
在本實施例中，表面修飾層160可有效地抑制待測分子（例如抗原或蛋白質）沾黏在基板100的表面上，除了可減少因待測分子非專一性結合所造成的雜訊干擾，也可增加待測分子固定在有效感測區的機率，進而提升感測的靈敏度與準確性。
圖2A至圖2C是依照本揭露的第二實施例所繪示的感測晶片的製作流程剖面示意圖。在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的部份製作流程，並在圖1D之後進行後續的製程。因此，下述實施例將沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重複贅述。
請參照圖2A，在形成如圖1D所示之金屬奈米結構142之後，以金屬奈米結構142為蝕刻罩幕，對基板100進行濕式蝕刻法製程（例如是使用HF或KOH水溶液），以形成基板100a以及位於其上的多個支撐結構202，其中支撐結構202位於基板100a與金屬奈米結構142之間，以使金屬奈米結構142與基板100a之間相距一距離。在本實施例中，濕式蝕刻的深度大致與支撐結構202的高度H2相同，可藉由控制蝕刻的時間來控制支撐結構的高度。支撐結構202的高度H2例如是介於10 nm至100 nm。
在本實施例中，金屬奈米結構142具有上表面142a與下表面142b。在本實施例中，上表面142a為一圓弧表面，但本揭露不限於此。下表面142b具有一轉角區142c。下表面142b與支撐結構202之間具有接觸面204。由於濕式蝕刻法為等向性蝕刻，因此在進行濕式蝕刻法的過程中，除了會蝕刻部分開口144所裸露的基板100，亦會側向蝕刻部分之金屬奈米結構142下方的基板100，因此接觸面204的寬度L2小於金屬奈米結構142的寬度L1。
接著，請參照圖2B，於金屬奈米結構142的表面上形成表面修飾層250，用以捕捉待測分子對應的抗體或核酸適體。表面修飾層250包括多個具有硫醇基（-SH）的分子252。具有硫醇基的分子252例如是11-巰基十一烷酸（11-mercaptoundecanoic acid, 11-MUA）、11-巰基十一胺（11-Amino-1-undecanethiol, 11-AUT）、半胱胺（Cysteamine）、4-氨基苯硫酚（4-Aminothiophenol）、 4-甲基苯硫酚（4-Methylthiophenol）、硫醇化核酸適體（thiolated aptamer）或其組合。形成表面修飾層250的方法例如是將圖2A所示之整體結構浸泡至上述化合物之溶液中。在浸泡的過程中，具有硫醇基的分子252的一端硫醇基與金屬奈米結構142的上表面142a、下表面142b及轉角區142c之金屬產生反應以形成共價鍵。
雖然在圖2B中可以看到表面修飾層250與部分的支撐結構202接觸，但圖2B僅為示例用，在本實施例中，由於具有硫醇基的分子252僅會與金屬反應而不會與支撐結構202以及基板100a反應，因此僅會在金屬奈米結構142的上表面142a、下表面142b及轉角區142c上形成表面修飾層250，並不會在支撐結構202以及基板100a的表面上形成表面修飾層250。
此外，在本實施例中，待測分子（例如抗原或蛋白質）所對應的抗體或核酸適體可有效地與表面修飾層250接枝，因此可提高待測分子固定在晶片有效感測區的機率，進而提升感測的靈敏度。
在本實施例中，由於支撐結構202位於基板100a與金屬奈米結構142之間，使得金屬奈米結構142與基板100a之間相距一距離，可使位於金屬奈米結構142的轉角區142c與基板100a交界處的感測熱點往上調離基板100a，有利待測物從四面八方靠近，減少固定時空間立體障礙的影響。此外，溼式蝕刻製程的側蝕效果可掏空感測熱點下方的基板，讓感測熱點更裸露在周圍環境中，進而提高感測的靈敏度。
然後，請參照圖2C，於基板100a的表面上以及支撐結構202的表面上形成表面修飾層260，用以抵抗待測分子沾黏。表面修飾層260包括多個具有矽烷基的分子262。具有矽烷基的分子262例如二乙醇矽烷（Poly(ethylene glycol)-silane, PEG-silane）、聚乙烯吡咯烷酮矽烷（Polyvinylpyrrolidone-silane, PVP-silane）、聚氧化乙烯矽烷（Polyethyleneoxide-silane, PEO-silane）或其組合。形成表面修飾層260的方法例如是將圖2B所示之整體結構浸泡至上述化合物之溶液中。在浸泡的過程中，具有矽烷基的分子262的矽烷基與基板100a以及支撐結構202的表面之二氧化矽產生反應以形成共價鍵。至此，即完成感測晶片20的製作。
在本實施例中，表面修飾層260可有效地抑制待測分子（例如抗原或蛋白質）沾黏在基板100a以及支撐結構202的表面上，除了可減少因待測分子非專一性結合所造成的雜訊干擾，也可增加待測分子固定在有效感測區的機率，進而提升感測的靈敏度與準確性。
以下，列舉本揭露的實施例以更具體對本揭露進行說明。然而，在不脫離本揭露的精神，可適當地對以下的實施例中所示的材料、使用方法等進行變更。因此，本揭露的範圍不應以以下所示的實施例來限定解釋。
[LSPR感測晶片之結構設計實驗]
在本實驗中，使用時域有限差分（Finite-Difference-Time-Domain, FDTD）法來分析模擬結構1-3。模擬結構1具有如圖2A所示之結構，其中金屬奈米結構的材料為金；模擬結構2具有如圖1D所示之結構，其中金屬奈米結構的材料為金；模擬結構3之結構與模擬結構2相似，其差別在於模擬結構3的奈米結構為由金-氧化鋁-金所組成的多層三明治金屬奈米結構。
表1顯示經過FDTD法分析後之模擬結構1-3的靈敏度與製程良率。如表1所示，模擬結構1、模擬結構2與模擬結構3的靈敏度分別為331 nm/RIU、230 nm/RIU、280 nm/RIU。由上述結果可知，模擬結構1具有最高的靈敏度以及具有高的製程良率，因此適合將模擬結構1設計作為LSPR晶片的結構。
表1 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0019"><TBODY><tr><td>   </td><td> 靈敏度（nm/RIU） </td><td> 製程良率 </td></tr><tr><td> 模擬結構1 </td><td> 331 </td><td> 高 </td></tr><tr><td> 模擬結構2 </td><td> 230 </td><td> 高 </td></tr><tr><td> 模擬結構3 </td><td> 280 </td><td> 低 </td></tr></TBODY></TABLE>
[LSPR感測晶片之靈敏度實驗]
實施例1
實施例1為具有如圖2A所示之結構的感測晶片（即有對基板進行溼式蝕刻法製程）。
將實施例1之感測晶片分別置於空氣（折射率為1.0）以及水（折射率為1.33）中，藉由量測其LSPR特徵光譜（characteristic spectra）的變化來推算其靈敏度。圖3為實施例1之感測晶片於空氣與水中的特徵光譜。如圖3所示，將實施例1之感測晶片由折射率較低的空氣移至折射率較高的水中，其特徵光譜因介質折射率升高而紅位移117 nm，依此推算出的靈敏度為351 nm/RIU。
比較例1
比較例1為具有如圖1D所示之結構的感測晶片（即未對基板進行溼式蝕刻法製程）。
將比較例1之感測晶片分別置於空氣（折射率為1.0）以及水（折射率為1.33）中，藉由量測其LSPR特徵光譜的變化來推算其靈敏度。圖4為比較例1之感測晶片於空氣與水中的特徵光譜。如圖4所示，將比較例1之感測晶片由折射率較低的空氣移至折射率較高的水中，其特徵光譜因介質折射率升高而紅位移63 nm，依此推算出的靈敏度為189nm/RIU。
由上述結果可知，實施例1相較於比較例1具有較高的靈敏度。
圖5A為實施例1的能量熱點分布之FDTD模擬結果。圖5B為比較例1的能量熱點分布之FDTD模擬結果。相較於比較例1的感測熱點404位於基板400與金屬奈米結構402的交界處，由於實施例1的金屬奈米結構302與基板300之間相隔一距離，使得實施例1的感測熱點304裸露，因此實施例1更有利待測物從四面八方接近感測熱點。
[蝕刻深度對靈敏度的影響]
由於蝕刻時間可對應所蝕刻的深度，因此為了進一步測試具有不同蝕刻深度之感測晶片的靈敏度，可對如圖1D所示之感測晶片進行不同時間條件的濕式蝕刻製程，並量測各個不同蝕刻時間條件所製作之感測晶片的靈敏度。此外，將上述所測得的結果與對應的FDTD模擬結果進行疊合。圖6為靈敏度實驗與FDTD模擬結果之比較圖。如圖6所示，靈敏度實驗的結果與FDTD模擬結果的趨勢吻合。當蝕刻的深度越深，則所製造的感測晶片的靈敏度越高。此現象可由感測晶片的感測熱點的位置來解釋，當蝕刻深度為零時（即如圖1D所示之結構），感測熱點位於金屬奈米結構與基板的交界處，因此大部分的能量被埋在基板內，因此感測晶片的靈敏度較低。然而，隨著蝕刻的時間越長（即蝕刻深度與側向蝕刻增加），感測熱點與基板的距離增加，感測熱點更裸露在周圍環境中，因此感測晶片的靈敏度較高。
[生物素-抗生物素蛋白系統測試]
為了測試本揭露所製作之LSPR感測晶片在生物樣本上實際測試的結果，在本實施例中，使用具有專一性且親和力較高的生物素-抗生物素蛋白系統（biotin-avidin system）進行實驗，其中所選用的biotin為NH2-PEG4-biotin，所選用的avidin為NeutrAvidin。NeutrAvidin為avidin去醣基後的改良型抗生物素蛋白，較不會產生沾黏。
實施例2 （進行兩階段表面修飾）
首先，將如圖1D所示的感測晶片泡在0.1mM的11-胺基-十一烷硫醇（11-amino-1-undecanethiol, 11-AUT）溶液中24小時，以進行第一階段表面修飾。接著，再將感測晶片泡在6mM的2-[甲氧基(聚氧乙烯)丙基]三甲氧基矽烷（2-[Methoxy(polyethyleneoxy)propyl]trimethoxysilane, m-PEG silane）溶液中，於氮氣環境下加熱 60℃ 反應 24 小時，以進行第二階段表面修飾。然後，將感測晶片泡在0.25%的戊二醛（glutaraldehyde, GTA）溶液中。在此過程中，戊二醛其中一端的醛基會與11-AUT的胺基形成共價鍵。之後，再將1mM的NH2-PEG4-biotin溶液滴在感測晶片上並搖晃半小時，在此過程中，戊二醛另一端的醛基會與NH2-PEG4-biotin的胺基形成共價鍵。接著，以磷酸緩衝溶液清洗感測晶片。之後，分別將不同濃度（0.5 μg/mL、5 μg/mL、50 μg/mL、500 μg/mL）的NeutrAvidin溶液滴加至感測晶片上並搖晃半小時。在此過程中，NH2-PEG4-biotin會與NeutrAvidin產生專一性的結合。
比較例2 （僅進行一階段表面修飾）
使用如實施例2相似的方法，其差別僅在於比較例2的感測晶片只進行第一階段（11-AUT）表面修飾，沒有進行第二階段（m-PEG silane）表面修飾。
圖7為實施例2之待測分子濃度對應特徵光譜紅位移之關係圖。圖8為比較例2之待測分子濃度對應特徵光譜紅位移之關係圖。
請參照圖7，在0.5~50μg/mL濃度範圍，隨著待測分子（即NeutrAvidin）的濃度增加，特徵光譜紅位移也增加，也就是說，待測分子濃度與特徵光譜紅位移（可對應為訊號強度）為一線性關係，且此線性關係至待測分子濃度為超過50 μg/mL時會因待測分子滿鋪晶片表面而達飽和使光譜變化趨緩。
請參照圖8，隨著待測分子的濃度增加，特徵光譜紅位移並不會跟著增加，也就是說，待測分子濃度與特徵光譜紅位移並非為線性關係。
圖9A為實施例2之原子力顯微（Atomic Force Microscope, AFM）照片。圖9B為比較例2之原子力顯微照片。請同時參照圖9A與圖9B，經過待測物（即NeutrAvidin）接枝後的晶片，由AFM影像可看出，未經過兩階段修飾的晶片（即比較例2），在玻璃基板處有很多待測物已經吸附在上面形成團聚，表面粗糙度（Rq）為6.7nm，由此可知，很大一部分的待測物已經損失了，也因此影響濃度量測的線性關係。相對而言，經過兩階段修飾的晶片（即實施例2），玻璃基板的沾黏少很多，表面粗糙度（Rq）為2.3nm，理論上不會有數量損失，可以讓大部分的待測物只與金屬奈米結構接枝，可提高系統量測的穩定度與再現性。
由上述結果可知，由於本揭露之感測晶片進行了兩階段表面修飾，因此可避免待測分子沾黏在非感測區上，因此可提高待測分子接枝在感測區的機率，進而提升待測分子濃度對訊號強度的線性關係。
綜上所述，本揭露之感測晶片的金屬奈米結構與基板間相距一距離，使得感測熱點遠離基板並裸露，因此具有較高的靈敏度。此外，本揭露之感測晶片經過兩階段的表面修飾，因此除了可以增加待測物接枝在有效感測區的機率，也降低了因待測物沾黏在非感測區所造成的雜訊干擾，進而提升在不同待測分子濃度下與訊號的線性關係以及提高感測的靈敏度。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10、20‧‧‧感測晶片
100、100a、300、400‧‧‧基板
110‧‧‧光阻層
111‧‧‧圖案化的光阻層
120‧‧‧圖案化的罩幕層
122、144‧‧‧開口
130、132‧‧‧堆疊結構
140‧‧‧金屬材料層
142、302、402‧‧‧金屬奈米結構
142a‧‧‧上表面
142b‧‧‧下表面
142c‧‧‧轉角區
150、160、250、260‧‧‧表面修飾層
152、252‧‧‧具有硫醇基的分子
162、262‧‧‧具有矽烷基的分子
202‧‧‧支撐結構
204‧‧‧接觸面
304、404‧‧‧感測熱點
L1‧‧‧金屬奈米結構的大小
L2‧‧‧接觸面的寬度
H1‧‧‧金屬奈米結構的高度
H2‧‧‧支撐結構的高度
P‧‧‧週期
圖1A至圖1F為依照本揭露的第一實施例所繪示的感測晶片的製作流程剖面示意圖。
圖2A至圖2C為依照本揭露的第二實施例所繪示的感測晶片 的製作流程剖面示意圖。
圖3為實施例1之感測晶片於空氣與水中的特徵光譜。
圖4為比較例1之感測晶片於空氣與水中的特徵光譜。
圖5A為實施例1的能量熱點分布之FDTD模擬結果。
圖5B為比較例1的能量熱點分布之FDTD模擬結果。
圖6為靈敏度實驗與FDTD模擬結果之比較圖。
圖7為實施例2之待測分子濃度對應特徵光譜紅位移之關係圖。
圖8為比較例2之待測分子濃度對應特徵光譜紅位移之關係圖。
圖9A為實施例2之原子力顯微照片。
圖9B為比較例2之原子力顯微照片。
20‧‧‧感測晶片
100a‧‧‧基板
142‧‧‧金屬奈米結構
250、260‧‧‧表面修飾層
252‧‧‧具有硫醇基的分子
262‧‧‧具有矽烷基的分子

Claims (14)

  1. 一種感測晶片，其包括：一基板；多個金屬奈米結構，位於該基板上；一第一表面修飾層，位於該些金屬奈米結構的表面上，其中該第一表面修飾層包括多個具有硫醇基的分子；以及一第二表面修飾層，位於該基板的表面上，該第二表面修飾層包括多個具有矽烷基的分子，其中，該第一表面修飾層位於該些金屬奈米結構的表面上，且不位於該基板的表面上，且該第二表面修飾層位於該基板的表面上，且不位於該些金屬奈米結構上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的感測晶片，更包括多個支撐結構，位於該基板與每一個金屬奈米結構之間，以使每一金屬奈米結構與該基板之間相距一距離。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的感測晶片，其中該支撐結構的高度為10nm至100nm。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的感測晶片，其中：每一金屬奈米結構具有一上表面以及一下表面，以及該下表面與該支撐結構之間具有一接觸面，其中該接觸面的寬度小於每一金屬奈米結構的寬度。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的感測晶片，其中： 該下表面具有一轉角區，且該些第一表面修飾層之具有硫醇基的分子固定於金屬奈米結構的該上表面、該下表面及該轉角區上。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的感測晶片，其中該第二表面修飾層位於每一支撐結構與該基板的表面上。
  7. 如申請專利範圍第2項所述的感測晶片，其中該些支撐結構的材質與該基板的材質相同。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的感測晶片，其中所述金屬奈米結構的大小介於10nm至900nm。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的感測晶片，其中所述金屬奈米結構的高度介於10nm至100nm。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的感測晶片，其中該些金屬奈米結構以週期性且規則性排列於該基板上，該些金屬奈米結構之週期介於15nm至1000nm。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的感測晶片，其中所述金屬奈米結構的形狀包括圓柱型、半球型、碟盤型、蛾眼型、三角柱型或其組合。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的感測晶片，其中所述金屬奈米結構的材料包括銀、金、鉑、銅、鋁或其組合。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的感測晶片，其中所述具有硫醇基的分子包括11-巰基十一烷酸、11-巰基十一胺、半胱胺、4-氨基苯硫酚、4-甲基苯硫酚、硫醇化核酸適體或其組合。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的感測晶片，其中所述具有矽烷基的分子包括聚二乙醇矽烷、聚乙烯吡咯烷酮矽烷、聚氧化乙烯矽烷或其組合。
TW104143507A 2015-12-24 2015-12-24 感測晶片 TWI582403B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW104143507A TWI582403B (zh) 2015-12-24 2015-12-24 感測晶片
US14/983,568 US10012646B2 (en) 2015-12-24 2015-12-30 Sensing chip

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW104143507A TWI582403B (zh) 2015-12-24 2015-12-24 感測晶片

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI582403B true TWI582403B (zh) 2017-05-11
TW201723462A TW201723462A (zh) 2017-07-01

Family

ID=59087791

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104143507A TWI582403B (zh) 2015-12-24 2015-12-24 感測晶片

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10012646B2 (zh)
TW (1) TWI582403B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201725385A (zh) * 2016-01-05 2017-07-16 財團法人工業技術研究院 具有薄層層析之拉曼檢測晶片及分離檢測分析物之方法
LU101353B1 (en) * 2019-08-19 2021-02-24 Luxembourg Inst Science & Tech List Affinity sensor, in particular qcm sensor

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201142289A (en) * 2010-04-28 2011-12-01 Pacific Biosciences California Nanoscale apertures having islands of functionality
CN104076021A (zh) * 2013-03-28 2014-10-01 精工爱普生株式会社 光学器件、检测装置及电子设备
TWI485388B (zh) * 2011-08-14 2015-05-21 Ind Tech Res Inst 拉曼散射增強基板、利用上述基板之微量生化感測方法
TW201546437A (zh) * 2014-06-09 2015-12-16 Ind Tech Res Inst 感測晶片

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1373872A4 (en) 2001-02-26 2009-04-22 Yeda Res & Dev CHEMICAL ANALYSIS METHOD AND DEVICE
US20090118605A1 (en) 2002-08-30 2009-05-07 Northwestern University Surface-enhanced raman nanobiosensor
US9012207B2 (en) 2005-08-02 2015-04-21 University Of Utah Research Foundation Biosensors including metallic nanocavities
EP2092308A1 (en) 2006-12-05 2009-08-26 Yeda Research And Development Company Limited Device and method for optical localized plasmon sensing
US8426152B2 (en) 2007-01-03 2013-04-23 Lamdagen Corporation Enzymatic assay for LSPR
WO2008086228A2 (en) 2007-01-04 2008-07-17 University Of Washington Arrays and methods for guided cell patterning
WO2009128067A2 (en) 2008-04-15 2009-10-22 Yeda Research And Development Company Ltd. Localized plasmon transducers and methods of fabrication thereof
CN102449462B (zh) 2009-05-25 2016-09-14 英斯普罗恩有限公司 利用局部表面胞质团共振lspr的传感器
EP2264438A1 (en) 2009-06-19 2010-12-22 The European Union, represented by the European Commission A surface plasmon resonance sensing method and sensing system
TWI404930B (zh) 2009-08-19 2013-08-11 Univ Nat Chunghsing Biochemical sensing wafer substrate and its preparation method
US8514398B2 (en) 2009-11-10 2013-08-20 The Regents Of The University Of California Sensing devices and techniques using 3-D arrays based on surface plasmon excitations
JP5939016B2 (ja) 2012-04-27 2016-06-22 セイコーエプソン株式会社 光学デバイス及び検出装置
CN102764677B (zh) 2012-07-28 2014-04-30 福州大学 一种局域表面等离子共振微流控芯片的制备方法
US9513226B2 (en) 2012-08-14 2016-12-06 The Regents Of The University Of California Nanochip based surface plasmon resonance sensing devices and techniques
CN103335984B (zh) 2013-06-09 2015-10-28 清华大学 一种基于lspr的无实体壁微阵列芯片及其应用
CN104076013A (zh) 2013-07-03 2014-10-01 青岛派科森光电技术股份有限公司 一种基于lspr传感器的海上溢油检测系统及检测方法
WO2015058046A1 (en) * 2013-10-17 2015-04-23 Washington University Plasmonic biosensors with built-in artificial antibodies
TWM488629U (zh) 2014-01-22 2014-10-21 Siward Crystal Technology Co Ltd 感測裝置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201142289A (en) * 2010-04-28 2011-12-01 Pacific Biosciences California Nanoscale apertures having islands of functionality
TWI485388B (zh) * 2011-08-14 2015-05-21 Ind Tech Res Inst 拉曼散射增強基板、利用上述基板之微量生化感測方法
CN104076021A (zh) * 2013-03-28 2014-10-01 精工爱普生株式会社 光学器件、检测装置及电子设备
TW201546437A (zh) * 2014-06-09 2015-12-16 Ind Tech Res Inst 感測晶片

Also Published As

Publication number Publication date
US10012646B2 (en) 2018-07-03
US20170184584A1 (en) 2017-06-29
TW201723462A (zh) 2017-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100899811B1 (ko) 유기물 고굴절 재료를 포함하는 공진 반사광 필터와 이를구비한 광 바이오센서
CN101156228B (zh) 一种制作纳米间隙和纳米间隙传感器的方法
EP2403973B1 (en) Methods for producing highly ordered arrays of nanoholes in metallic films
JP2015514225A (ja) 超高感度センサ
KR20120017362A (ko) 표면-증강 라만 산란 이미지 측정용 금패턴 면역분석 마이크로어레이 및 이를 이용한 면역분석방법
TWI582403B (zh) 感測晶片
JP2005144569A (ja) 二次元配列構造体基板および該基板から剥離した微粒子
WO2022001021A1 (zh) 光学生物传感器及covid-19病毒检测装置
US20080160638A1 (en) Functionalized Microcantilever Sensor and Associated Method For Detection of Targeted Analytes
KR100473799B1 (ko) 나노미터 수준의 고정밀 패턴 형성방법
Chen et al. Real-time multicolor antigen detection with chemoresponsive diffraction gratings of silicon oxide nanopillar arrays
KR20140081208A (ko) 대면적 기판에서의 나노웰 어레이 바이오센서 제조방법
Kim et al. Fiber optic plasmonic sensors based on nanodome arrays with nanogaps
CN106918578B (zh) 感测芯片
WO2008021614A2 (en) Coded particle arrays for high throughput analyte analysis
US9132445B2 (en) Highly ordered arrays of nanoholes in metallic films and methods for producing the same
Liu et al. Highly ordered 3D-silver nanoring arrays (3D-AgNRAs) for refractometric sensing
KR102006651B1 (ko) 나노역학적 바이오센서 및 이의 제조방법
US8529988B2 (en) Method for fabrication of localized plasmon transducers
KR101018414B1 (ko) 자기조립 블록 공중합체 박막상에 단백질 흡착이 향상된단백질 나노어레이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 단백질나노어레이
KR20100096622A (ko) 국소표면 플라즈몬공명을 이용한 생체분자의 측정방법
KR20100011159A (ko) 자기조립 블록 공중합체 박막을 이용한 패턴이 형성된단백질 나노어레이의 제조방법 및 이에 따라 제조된 단백질나노어레이
KR101470819B1 (ko) 형광 신호 증폭 기판 제조 방법과 이 방법을 이용한 ｄｎａ 및 단백질 마이크로어레이칩
Riccardi et al. Controlling surface effects in extremely high aspect ratio gold plasmonic electrodes
KR101356973B1 (ko) 광 바이오센서 및 이를 제조하는 방법