TWI687687B - 雙光柵感測器、檢測方法及其製備方法 - Google Patents

雙光柵感測器、檢測方法及其製備方法 Download PDF

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Abstract

本發明係揭露一種具有兩個以上光柵的雙光柵之感測器，用以檢測一待測物之性質，其中雙光柵感測器包含基板、形成於基板上且具有兩個雙面光柵結構之波導層、以及設置於波導層上的上蓋，波導層與上蓋之間形成供待測物流通的流道。當一光線藉由第一雙面光柵結構耦合入波導層，並於波導層中傳遞後，再由第二雙面光柵結構耦合出波導層，使雙光柵感測器藉由耦合出波導層之光線之光強度變化，以檢測待測物之性質。

Description

雙光柵感測器、檢測方法及其製備方法
本發明是有關於一種雙光柵感測器，特別是有關於一種具有兩個雙面光柵結構之感測器。
近年來，愈來愈重視生醫檢測中所使用到的光學式生物感測器在檢測時之精準度及方便性，由於符合前述精準度及方便性的光波導式生物感測技術日漸成熟，因此，業界紛紛應用光波導式生物感測技術在生醫的檢測裝置上。
一般而言，光學式生物感測器能使光線藉由其光柵結構耦合入而後耦合出，然後量測被容置於光學式生物感測器的待測物所影響之耦合出光線的特性，並據以推斷待測物的特性。
除了前述光柵結構及其尺寸、耦合入光的波長等參數之外，待測物之濃度所造成的折射率(R.I.U)都和耦合入光線的入射角度、耦合出光線的強度以及其耦合出的出射角度有特定的關係。因此光學式生物感測器在量測前述光線耦合入的入射角度、耦合出的出射角度以及光 線耦合出的強度之後，根據各特定的關係可以推導出待測物的折射率，進而得到待測物的濃度。
習知的生物感測分為針對標定待測物及非標定待測物的檢測方式。標定待測物為預先將特定標定抗體塗佈在光學式生物感測器的腔室中，隨後導入的待測物中的特定成份在腔室與預先導入的特定之標定抗體進行結合反應，利用結合反應所產生的特質(如螢光)來標定待測物中的特定成份。而非標定待測物是指腔室中只導入待測物，而不需預先將特定標定抗體塗佈在光學式生物感測器的腔室中，所以可省下進行結合反應的時間、縮減檢測流程步驟、減少標定抗體的需求、以及降低因標定造成的實驗誤差。
習知的光波導式生物感測器係利用稜鏡或單面光柵作為耦合元件，將光耦合入波導層中，再藉由量測經過波導層後的耦合出光之角度及波長變化，以達到檢測之目的。
另外習知的雙光柵感測器，像是Cottier等人利用入射光的耦合共振波長做為雙光柵晶片的檢測機制，藉由具週期變化的光源找出入射光的耦合共振波長變化量來做檢測。另外Darwish等人利用耦合出光的角度變化做為雙光柵晶片的檢測機制。但是，前述量測光源角度及波長變化係需要與較為複雜之量測儀器配合使用，因此檢測設備成本較高，而且操作步驟較為繁複，而需要較長的檢測時間。
目前，習知光柵生物感測器之製作方法為壓印、離子蝕刻或全像法以製作光柵生物感測器，但是前述方法所使用的模具在生產製程中容易損害，使得其使用次數太低而必須重新製作模具，而導致製作成本提高，無法合乎經濟效益，因此不適合進行量產。
因此，避免量測時所使用的昂貴之量測儀器，簡化操作步驟以及節省檢測時間，並且使光學式生物感測器的生產成本降低，是光學式生物感測器目前需要解決的問題。
本發明揭露一種雙光柵系統，係用以檢測一待測物之至少一性質，包括：一基板；一波導層，形成於該基板上，具有一第一雙面光柵結構及一第二雙面光柵結構；一流道，設置於該波導層上，供該待測物通過並覆蓋於該第一雙面光柵結構及該第二雙面光柵結構上；以及一光源，產生一光線，該光線由該第一雙面光柵結構耦合入該波導層，並經過及由該第二雙面光柵結構耦合出該波導層，以測量該待測物的該至少一性質，其中該光線經過該第一雙面光柵結構、該波導層及該第二雙面光柵結構使該雙光柵感測系統之靈敏度具有加成效果。
本案亦可以為一種雙光柵感測器，係用以檢測一待測物之至少一性質，包括：一基板，具一第一側凹凸表面及一第二側凹凸表面；一波導層，具一上表面、與各該凹凸表面對應的一第一側凹凸部及一第二側凹凸 部，各該凹凸部構成一雙面光柵結構，且設置於該基板上；以及一上蓋，具一內表面、與該基板配合而使該內表面與該上表面形成一完整之空間以容納該待測物，其中一光線由該二雙面光柵結構耦合入及耦合出該波導層，以測量該待測物的該至少一性質。
本案亦可以為製造雙光柵感測器的方法，包括：製作具有一雙光柵圖案的一模仁；利用該模仁使一透明塑膠經由一成型步驟以得到該基板；形成該波導層於該基板上，以得到一雙光柵片；以及將該上蓋黏合至該雙光柵片上，使該波導層與該上蓋之間形成供該待測物通過的該流道，以得到該雙光柵感測器。
本案亦可以為一種檢測一待測物之至少一性質的方法，包括：提供一基板、一波導層及一上蓋；使該基板具一第一側凹凸表面及一第二側凹凸表面；使該波導層具一上表面與各該凹凸表面對應的一第一側凹凸部及一第二側凹凸部，各該四凸部構成一雙面光柵結構；以及使該上蓋具一內表面、與該基板配合而使該內表面與該上表面形成一完整之空間以容納該待測物，其中一光線由該二雙面光柵結構耦合入及耦合出該波導層，以測量該待測物的該至少一性質。
100‧‧‧雙光柵感測器
110‧‧‧基板
111‧‧‧第一側凹凸表面
112‧‧‧第二側凹凸表面
120‧‧‧波導層
121‧‧‧上表面
122‧‧‧下表面
123‧‧‧第一側凹凸部
124‧‧‧第二側凹凸部
125‧‧‧矩形光通道
126‧‧‧第一端
127‧‧‧第二端
128‧‧‧第三端
129‧‧‧第四端
130‧‧‧流道
140‧‧‧上蓋
141‧‧‧內表面
142‧‧‧入口
143‧‧‧出口
150‧‧‧雙雙面光柵結構
151‧‧‧第一雙面光柵結構
152‧‧‧第二雙面光柵結構
301‧‧‧入射光線
302‧‧‧出射光線
303‧‧‧入射角度
304‧‧‧入射位置
310‧‧‧光源
311‧‧‧雷射光
320‧‧‧光學元件
330‧‧‧旋轉平台
340‧‧‧光偵測器
350‧‧‧資料處理器
400‧‧‧待測物
501‧‧‧石英母模
502、507‧‧‧聚二甲基矽氧烷
503、508‧‧‧融膠凝膠
504‧‧‧載玻片
505‧‧‧遮蓋層
506‧‧‧光阻
509‧‧‧不鏽鋼板
第1圖：為本發明之雙光柵感測器之結構示意圖；第2圖：為本發明之雙光柵感測器中有光線耦合入及 耦合出波導層的示意圖；第3圖：為本發明之雙光柵感測器之檢測系統示意圖；第4圖：為本發明之雙光柵感測器之檢測方法之流程圖；第5圖：為本發明之雙光柵感測器對應不同待測物的雷射耦合出光強度之即時偵測測試信號變化示意圖；第6圖為本發明之雙光柵感測器之耦合出光強度與折射率之關係示意圖；第7(A)圖：為對本發明之雙光柵感測器之第一雙光柵結構進行靈敏度測試的示意圖；第7(B)圖：為對本發明之雙光柵感測器之第二雙光柵結構進行靈敏度測試的示意圖；第8圖：為本發明之雙光柵感測器與兩種單面光柵感測器之耦合出光強度與折射率之比較關係示意圖；第9圖：為本發明之雙光柵感測器於不同耦合角度之耦合光強度與折射率之關係示意圖；第10圖：為本發明之雙光柵感測器於不同耦合位置之耦合光強度與折射率之關係示意圖；第11圖：為本發明之雙光柵感測器檢測anti-DNP的即時偵測訊號變化示意圖。；第12圖：為本發明之雙光柵感測器檢測anti-DNP的 檢量線示意圖；第13圖：係為本發明之雙光柵感測器之製作方法之流程圖；以及第14圖：係為本發明之雙光柵感測器之製程剖面示意圖。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明的其中一目的就是在提供一種雙光柵感測器，係用以檢測待測物之性質，本發明為具有兩個雙面光柵(double-sided grating)之波導層結構，可達到將位於波導層的預設範圍內之光線有效耦合於波導層並進行檢測的目的，且本發明的雙光柵感測器藉由將光線耦合入及耦合出波導層的兩次耦合效應，可增強雙光柵感測器的靈敏度並提升檢測能力。
請參閱第1圖，其為本發明之雙光柵感測器100之結構示意圖。如第1圖所示，本發明之雙光柵感測器100包含基板110、波導層120、流道130以及上蓋140。
基板110具第一側凹凸表面111及第二側凹凸表面112，在第一側凹凸表面111及第二側凹凸表面112之間為平面，各該凹凸表面具有複數個規則形狀的凹凸結構。本發明的基板110的材質可為例如環烯烴共聚合物(Cyclo-Olefin Copolymers，COCs)、聚碳酸酯、壓克力、聚丙烯或其他具有高透明度之塑膠材料。
波導層120形成於基板110的表面上，且波導層120具有上表面121及下表面122，其中上表面121與下表面122在對應於基板110的第一側凹凸表面111及第二側凹凸表面112的位置，分別形成與基板110上第一側凹凸表面111及第二側凹凸表面112形狀相應的第一側凹凸部123及第二側凹凸部124，第一側凹凸部123與第二側凹凸部124之間且對應於基板110的平面的位置為矩形光通道125。第一側凹凸部123的上下表面分別為第一光柵及第二光柵，第二側凹凸部124的上下表面分別為第三光柵及第四光柵，因此結合具有第一光柵及第二光柵的第一雙面光柵結構151、矩形光通道125以及具有第三光柵及第四光柵的第二雙面光柵結構152，以形成本發明的雙雙面光柵結構150。然而前述包括兩個雙面光柵結構的雙光柵感測器100可以推廣至包括兩個以上的雙面光柵結構以符合應用的需求。
波導層120可以沈積的方式形成在基板110之表面上，其沈積之方法可包括如濺鍍法、蒸鍍法、浸鍍法、旋鍍法或其他可使波導層120均勻沈積於基板110之表面上的製程。因此，波導層120可均勻平滑地形成於基板110之表面上。由於基板110之表面上具有第一側凹凸表面111及第二側凹凸表面112，因此位於第一側凹凸表面111及第二側凹凸表面112上之波導層120可形成具有相對應之第一側凹凸部123及第二側凹凸部124以製作第一雙面光柵結構151以及第二雙面光柵結構152。波導層120之材質可為例如為二氧化鈦、二氧化矽、三氧化二鈦、五氧化二鉭 及氧化鋅其中之一。
本發明的波導層120被上蓋140所覆蓋，因此在上蓋140的內表面141之下方與波導層120的上方形成一空間，作為容納待測物400的流道130。另外在上蓋140對應於第一雙面光柵結構151以及第二雙面光柵結構152的外側兩端分別設置入口142及出口143，待測物400可由入口142導入流道130，並依序流過第一雙面光柵結構151的第一端126與第二端127及矩形光通道125，而後到達第二雙面光柵結構152的第三端128與第四端129，最終均勻的分布在第一雙面光柵結構151、矩形光通道125以及第二雙面光柵結構152的上表面。在檢測完畢後，可將待測物400再由出口143自流道130引出。
在一較佳實施例中，本發明的雙光柵感測器的尺寸為45mm(L)×20mm(W)×2mm(H)，流道的尺寸為36mm(L)×3mm(W)×0.2mm(H)，及兩個雙面光柵結構的大小均為5mm(L)×5mm(W)且相距10mm。在另一實施例中，本發明的兩個雙面光柵結構亦可為不同大小，且之間的距離亦可改變。
本發明之雙光柵感測器所檢測的待測物之種類並不限於需進行結合反應的標定待測物，也可以是不需進行結合反應的免標定待測物，因此本發明的雙光柵感測器可以應用於更多不同的化學及生物檢測。
本發明之雙光柵感測器之一特點在於，藉由波導層之材質具有高折射率且化性穩定之特色，以增加本 發明之雙光柵感測器之偵測靈敏度及偵測範圍。
請合併參閱第1及第2圖，其為本發明之雙光柵感測器100之光線耦合入及耦合出的示意圖。基於本發明的雙光柵感測器100的結構，入射光線301可由波導層120的下表面122位於第一雙面光柵結構151的第一端126至第二端127之間的入射位置304，以入射角度303耦合入波導層120，耦合入的光線在經過矩形光通道125之後，由波導層120的下表面122位於第二雙面光柵結構152的第三端128至第四端129之間，自波導層120耦合出為出射光線302。
藉由不同待測物400之特性(例如折射率)，使得出射光線302具有不同之光強度，進而根據待測物400的折射率與光強度之對應關係，以分析待測物400之性質。
請接續參閱第3圖與第4圖，第3圖係為運用本發明之雙光柵感測器之檢測系統圖，第4圖係為運用本發明之雙光柵感測器之檢測方法之流程圖。如第1-4圖所示，運用本發明之雙光柵感測器100之檢測方法中，先將待側物400由入口142導入至流道130中(步驟420)。接著將入射光線301從第一雙面光柵結構151中耦合入波導層120(步驟430)。詳言之，入射光線301可以是利用光源310射出的雷射光311，再將雷射光經過光學元件320而得到。入射光線301射至波導層120的表面，再藉由第一雙面光柵結構151耦合入波導層120中，耦合入的光線在經過矩形光通道125之後，由第二雙面光柵結構152耦合出為出射光線 302。此外，光學元件320可例如為分光鏡、光學衰減片、凸透鏡、可改變雷射光之行進方向之元件或可改變雷射光之性質之元件。
當耦合出的出射光線302後，利用光偵測器340偵測光強度(步驟440)。舉例而言，步驟440係利用光偵測器340偵測從雙面光柵生物感測器100之波導層120射出之出射光線302之光強度。接著，處理此出射光線302之光強度之值(步驟450)。步驟450可利用資料處理器350處理光偵測器340偵測到之光強度，使得使用者可藉由此光強度之變化並可計算靈敏度以分析待測物400之性質。
為了證實本發明之雙光柵感測器可藉由偵測到之光強度得知待測物之折射率，更提出以蔗糖溶液作為待測物400的實驗數據，以佐證其效果。
蔗糖溶液實驗
請參考第1-3圖，此實驗先由入口142通入去離子水做為基準訊號值，再依序通入折射率為1.3355、1.3380、1.3405、1.343之蔗糖溶液，之後再通入去離子水，每通入一種不同折射率的蔗糖溶液則擷取訊號值1分鐘，然後可以得到不同折射率之蔗糖溶液其訊號值的變化，其量測結果如第5圖所示。在第5圖中，不同折射率的蔗糖溶液分別對應不同的訊號強度，故可藉由檢測到之訊號強度，以得知蔗糖溶液之折射率，進而得知蔗糖溶液之性質請注意第5圖的縱軸為與折射率為1.333之去離子水所對應的雷射耦合出光強度相比的相對強度，可知折射率較高 的蔗糖溶液，其雷射耦合出光的相對強度較低。
請接續參閱第6圖，其為本發明之雙光柵感測器之耦合光強度與折射率之關係示意圖。第6圖為依照第5圖的檢測結果作出的檢量線圖，其中橫軸為蔗糖溶液之折射率，縱軸為耦合出之光強度，其線性擬合斜率為雙面光柵感測器之靈敏度。資料處理器350根據前述光強度利用公式算出本發明之雙光柵感測器的偵測靈敏度與解析度。根據第6圖的數據經過計算結果，可知本發明之雙光柵感測器100之平均感測靈敏度可達到-46.42±2.23 RIU-1。
雙光柵感測器的加成效果
為了比較雙光柵感測器與單光柵感測器的靈敏度，利用本發明的雙光柵感測器進行單光柵感測器的靈敏度測試，亦即將本發明之雙光柵感測100器中的第一雙面光柵結構151及第二雙面光柵結構152，分別作為單光柵結構對不同折射率之蔗糖溶液作為感測物進行檢測(如第7(A)及7(B)圖所示)。請參考第7(A)圖，當利用第一雙面光柵結構151作為入射光柵時，入射光線301從接近第一雙面光柵結構151的第二端127的一側之下表面122入射波導層120，並由第一端126耦合出波導層，耦合出的出射光線302由光偵測器340偵測光強度。請參考第7(B)圖，當利用第二雙面光柵結構152作為入射光柵時，入射光301從接近第二雙面光柵結構152的第三端128的一側之下表面122入 射波導層120，並由第四端129耦合出波導層120，耦合出的出射光線302由光偵測器340偵測光強度。將前述兩次檢測的數據正規化後，再結合表示本發明之雙光柵感測器之靈敏度的第6圖，即得到以本發明之雙光柵感測器與兩種單面光柵感測器之靈敏度之比較關係，如第8圖所示。經過計算後可知當第一雙面光柵結構151作為單光柵晶片時，其平均靈敏度為-27.57±0.56RIU-1，當第二雙面光柵結構152作為單光柵晶片時，其平均靈敏度為-24.25±0.40 RIU-1，而雙光柵晶片靈敏度為-46.4±2.21 RIU-1，均高於單光柵晶片個別的靈敏度。因此，本發明之雙光柵感測器100利用光源耦合入及耦合出的二次耦合效應確實提升了感測器的靈敏度。
請再參閱第2圖與第3圖，雙光柵感測器100可設置於旋轉平台330上，藉由轉動旋轉平台330以調整入射光線301耦合入波導層120之入射角度303及入射位置304，以得到最大的耦出能量。根據前述方式，利用不同折射率的蔗糖溶液的實驗結果，可比較雙光柵感測器對應不同耦合位置及耦合角度對靈敏度的影響，以歸納出較佳的耦合位置及耦合角度的範圍。
耦合角度對雙光柵感測器特性之關係
將去離子水與折射率分別為1.3355、1.3380、1.3405及1.343之蔗糖溶液由入口142導入流道130中以進行量測。首先由入口142將去離子水通入流道130中，並將入射光線301以12.39度之耦合角度經第一雙面光柵結構 151耦合入波導層120，檢測經第二雙面光柵結構152耦合出的出射光線302的光強度。接著，可利用針筒幫浦推動折射率為1.3355之蔗糖溶液先由入口142流入流道130中。之後，每隔一分鐘注入一種折射率之蔗糖溶液，直至注入折射率為1.343之糖水溶液為止。最後，再注入去離子水並等待1分鐘即完成一次之檢測流程。然後，每個折射率的蔗糖溶液皆調整耦合角度為12.19度、11.99度、11.79度、11.59度、11.39度、11.19度及11.09度，其結果如第9圖所示。
由第9圖可知，當耦合角度約介於12.39度至11.49度之間時，雙光柵感測器可具有相似的靈敏度。且當繼續減少入射角，在11.39度時依然有耦出光。因此，不論耦合角度為何，偵測到之耦合出光線302強度與待測物400之折射率均可具有線性關係，較佳的耦合角度範圍為12.39度至11.09度之間，在此範圍均有相同的檢測能力，且靈敏度為-42.54±1.29 RIU-1。換言之，本發明之雙面光柵波導生物感測器100之偵測靈敏度並不隨耦合角度之變化而改變。
耦合位置對雙光柵感測器特性之關係
耦合位置即是入射光301由第一雙面光柵結構151耦合至雙光柵感測器100的位置，可以探討對雙光柵感測器的靈敏度及耦合能量的影響。在找出最佳耦合角度後，以固定的耦合角度在不同入射位置304耦合入波導層。令在第一光柵結構的第一端的耦合位置為0毫米，接 著開始將入射位置每次以0.25毫米往內移動，直到訊號失真或靈敏度明顯下降時即停止。因此，首先由入口142將去離子水通入流道130中，並將入射光線301以與經第一雙面光柵結構151之第一端126距離0.5毫米(mm)之入射位置304入射波導層120，檢測經第二雙面光柵結構152耦合出的出射光線302的光強度。接著，利用針筒幫浦推動折射率為1.3355之蔗糖溶液流入流道130中。之後，每隔一分鐘注入一種折射率之蔗糖溶液，直至注入折射率為1.343之蔗糖溶液為止。最後，再注入去離子水並等待1分鐘即完成一次之檢測流程。每種折射率的蔗糖溶液皆調整耦合位置303為1毫米、1.5毫米、2毫米、2.5毫米、3毫米、3.5毫米、4毫米、4.5毫米及5毫米，結果如第10圖所示。
從第10圖可知，不論耦合位置與第一端126之距離d為0.5毫米、1毫米、1.5毫米、2毫米、2.5毫米、3毫米、3.5毫米、4毫米、4.5毫米或5毫米，偵測到之信號強度與待測物400之折射率均可具有線性關係。因此，在耦合位置為0.5毫米至5毫米均有相似的靈敏度-41.96±0.84 RIU-1。換言之，本發明之雙光柵感測器100只要避免耦合位置在光柵邊緣，都可進行檢測，且偵測靈敏度並不隨耦合位置之變化而改變。
生化實驗
另一方面，本發明之雙光柵感測器100亦具有生物檢測能力。藉由DNP及anti-DNP的交互作用來得知本發明之雙光柵感測器100對不須加以標定的生物之檢測能 力。DNP及anti-DNP為免標定的檢驗方式，主要檢測對象為anti-DNP，因anti-DNP上並無任何的標定物，故稱之為免定檢測方式。
在檢測anti-DNP時，由入口142將PBS通入流道130中做為緩衝溶液後靜置，並擷取10分鐘的訊號，再依序由入口142通入濃度為4×10-8g/ml、8×10-8g/ml、1×10-7g/ml、2×10-7g/ml、4×10-7g/ml、8×10-6g/ml的anti-DNP，每個濃度均擷取30分鐘的訊號，最後再通入一次PBS，以沖掉多餘及未鍵結之anti-DNP，再擷取10分鐘的訊號，結果如第11圖所示，其整理過後的檢量線圖如第12圖所示。在經過公式的計算後，本發明之雙光柵感測器100對前述生物測試的偵測極限值可達2.73×10-8g/ml；而平均偵測極限值為3.09×10-8±4.34×10-9g/ml，最佳偵測極限值為2.73×10-8g/ml。
雙光柵感測器之製程
請參閱第13圖至第14圖，第13圖為本發明之雙光柵感測器之製作方法之流程圖，第14圖為本發明之雙光柵感測器之製程剖面示意圖。如第13及14圖所示，本發明之雙面光柵波導生物感測器100之製作方法可分成(1)形成光柵玻片模仁，(2)形成具有兩個單面光柵的模仁，(3)並據以射出兩個單面光柵的基板，(4)在基板上形成具兩個雙面光柵結構的波導層及(5)將上蓋設置於波導層上。
在形成光柵玻片模仁時，是以聚二甲基矽氧 烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)502將市售的石英母模(2400line/mm，Edmund Optical)501進行翻模動作(第14圖步驟(a)及(b))。利用奈米壓印的方式將PDMS 502上的光柵結構轉寫於載玻片504上：旋塗一層光聚合溶膠凝膠材料(sol-gel)503後壓印PDMS 502在載玻片504上(第14圖步驟(c))，接著用烘箱70℃軟烤30分鐘，再照射紫外燈20分鐘，最後再用110℃硬烤12小時完成光柵玻片模仁(第14圖步驟(d))。
在形成具有兩個單面光柵的模仁時，利用黃光製程在光柵玻片模仁上製作S1818的遮蓋層505成為具有兩個單面光柵的模仁：先旋塗一層S188的光阻506(第14圖步驟(e))，接著用加熱盤90℃軟烤3分鐘，再進行曝光顯影的動作，最後在加熱盤上用120℃硬烤30分鐘來完成具有兩個單面光柵的模仁(第14圖步驟(f))。藉由形成具有兩個單面光柵的模仁來製作融膠凝膠的雙光柵模仁：先用PDMS 507翻印雙光柵模仁(第14圖步驟(g)及(h))，接著旋塗一層融膠凝膠508後將PDMS 507以奈米方式壓印在不鏽鋼板509上(如步驟i)，接著用烘箱70℃軟烤30分鐘，再照射紫外燈20分鐘，最後再用110℃硬烤12小時就完成可用來射出具有兩個單面光柵結構的模仁(第14圖步驟(j))。
之後利用具有兩個單面光柵結構的模仁對塑膠物進行成型步驟，以製作具有兩個單面光柵結構的基板110(第14圖步驟(k)及(l))。塑膠物包括環烯烴共聚合物(cyclo-olefin copolymers,COCs)、聚碳酸酯、壓克力、聚丙烯或其他適合之材質。成型步驟可為對前述塑膠物進行射出成型、射壓成型、熱壓成型、押出成型、真空成型或其他之塑膠成型動作。
利用濺鍍法、蒸鍍法、浸鍍法、旋鍍法或其他方法其中之一的方式將二氧化鈦、二氧化矽、三氧化二鈦、五氧化二鉭、氧化鋅或其他適合之材質印鍍在具有兩個單面光柵的基板110上：首先通入氧氣量為6sccm及氬氣量為9sccm，且轉盤轉速調整為8rpm，調整主閥使腔體壓力(工作壓力)為2×10-3torr，調整電子槍之電源供應器至100W，然後微調以上參數才開始將前述材質的其中之一進行印鍍，因此在基板110表面上形成厚度均勻的第一雙面光柵結構151、矩形光通道125及第二雙面光柵結構152之波導層120，從而完成本發明具有兩個雙面光柵結構雙的光柵片(第14圖步驟(m))。
將前述具有兩個雙面光柵結構雙的光柵片與已鑽有入口142及出口143之上蓋140用UV膠黏合，再於入口142及出口143處接上有引流作用的蝴蝶針管並用AB膠封裝，因此在上蓋140的內表面之下方與波導層120上方可形成一空間，作為容納待測物的流道130，即可完成本發明之雙光柵感測器(第14圖步驟(n))。
值得注意的是，由於包含S1818所製作的模仁卻會因射出成型的次數增加，而導致S1818光阻的剝落，使得模仁的使用壽命較短。但在節省成本及製程步驟而不 考慮S1818的問題的情況下，將第14圖步驟(c)-(f)中的載玻片504換成不鏽鋼板509，並省略在前述第14圖中的步驟(g)-(i)，直接以步驟(f)形成的模仁進行步驟(k)的成型操作。易言之，本發明之雙光柵感測器100在製作模仁的過程中，除了第14圖的步驟(c)中奈米壓印外，也可採取第14圖中步驟(g)-(i)並使用其奈米壓印，來製作沒有包含S1818的模仁，以增加其使用壽命。
本發明的雙光柵感測器利用光的二次耦合來提高偵測能力及靈敏度，有別於習知中只有耦入光或耦出光的單一耦合效應，經由二次耦合效應達到加成效果，強化雙光柵感測器的檢測能力。且根據折射率實驗可以得知本發明的雙光柵感測器的靈敏度平均為-46.42±2.23 RIU-1，是單光柵感測器的靈敏度的2倍左右或以上，可證實利用雙光柵二次耦合效應對感測器的靈敏度有加成作用。
另外，相較於習知技術，本發明的雙光柵感測器為利用兩次奈米壓印的方式來製作雙光柵晶片射出用的模仁，能夠讓模仁更堅固耐用，提高其在量產時的使用次數，以降低量產的成本。因此，本發明所用來製作雙光柵模仁的製程，除了簡化繁複的製作步驟外，也降低了失敗率，更可以縮短製作雙光柵模仁的時間，加上使用融膠凝膠(sol-gel)材料來製作雙光柵模仁能夠提高其壽命，增加射出次數(一般融膠凝膠模仁可射出約一千片的射出品)，且射出成型機可以大量製作重複性高的雙光柵 感測器，除了降低生產成本外，進而可以達到品質均一的目標。
實施例
1.一種雙光柵系統，係用以檢測一待測物之至少一性質，包括：一基板；一波導層，形成於該基板上，具有一第一雙面光柵結構及一第二雙面光柵結構；一流道，設置於該波導層上，供該待測物通過並覆蓋於該第一雙面光柵結構及該第二雙面光柵結構上；以及一光源，產生一光線，該光線由該第一雙面光柵結構耦合入該波導層，並經過及由該第二雙面光柵結構耦合出該波導層，以測量該待測物的該至少一性質，其中該光線經過該第一雙面光柵結構、該波導層及該第二雙面光柵結構使該雙光柵感測系統之靈敏度具有加成效果。
2.如實施例1所述之雙光柵系統，更包括：一光偵測器；以及一資料處理器，與該光偵測器連接，其中該光偵測器偵測該光線經過該第一雙面光柵結構、該波導層及該第二雙面光柵結構後的一出射光線的一光強度，且該資料處理器處理該光強度，以得到該待測物的該至少一性質。
3.如實施例1或2所述之雙光柵系統，其中該待測物包括需進行結合反應的標定待測物及不需進行結合反應的免標定待測物。
4.如實施例1至3中任一實施例所述之雙光柵系統，其中該基板的材質為一透明塑膠，該透明塑膠包括環烯烴共聚合物、聚碳酸酯、壓克力及聚丙烯，且該波導層之材 質為二氧化鈦、二氧化矽、三氧化二鈦、五氧化二鉭及氧化鋅其中之一。
5.如實施例1至4中任一實施例所述之雙光柵系統，其中該流道被一上蓋覆蓋，該上蓋在對應該第一雙面光柵結構的一端部位置具有一入口，以導入該待測物至該流道。
6.如實施例1至5中任一實施例所述之雙光柵系統，其中該一第一雙面光柵結構及該第二雙面光柵結構的一長度相同，且該長度為5mm。
7.如實施例1至6中任一實施例所述之雙光柵系統，其中該光線耦合入該第一雙面光柵結構的一耦合位置位於該第一雙面光柵結構的0.5mm至5mm之間。
8.如實施例1至7中任一實施例所述之雙光柵系統，其中該光線耦合入該第一雙面光柵結構的一耦合合角度介於11.09度至12.39度之間。
9.如實施例1至8中任一實施例所述之雙光柵系統，其中該雙光柵系統之靈敏度不隨一耦合角度及一耦合位置之變化而改變。
10.一種雙光柵感測器，係用以檢測一待測物之至少一性質，包括：一基板；一波導層，形成於該基板上，具有至少二雙面光柵結構；以及一流道，形成於該波導層上，供該待測物通過並使該待測物覆蓋於該至少二雙面光柵結構上，其中一光線由該至少二雙面光柵結構耦合入及耦合出該波導層，以測量該待測物的該至少一性質。
11.一種雙光柵感測器，係用以檢測一待測物之至少一性質，包括：一基板，具一第一側凹凸表面及一第二側凹凸表面；一波導層，具一上表面、與各該凹凸表面對應的一第一側凹凸部及一第二側凹凸部，各該凹凸部構成一雙面光柵結構，且設置於該基板上；以及一上蓋，具一內表面、與該基板配合而使該下表面與該上表面形成一完整之空間以容納該待測物，其中一光線由該二雙面光柵結構耦合入及耦合出該波導層，以測量該待測物的該至少一性質。
12.一種製造如實施例11的雙光柵感測器的方法，包括：製作具有一雙光柵圖案的一模仁；利用該模仁使一透明塑膠經由一成型步驟以得到該基板；形成該波導層於該基板上，以得到一雙光柵片；以及將該上蓋黏合至該雙光柵片上，使該波導層與該上蓋之間形成供該待測物通過的該流道，以得到該雙光柵感測器。
13.如實施例12所述之方法，其中該波導層以一沈積方式形成於該基板上，該沈積方式包括濺鍍法、蒸鍍法、浸鍍法及旋鍍法，且該成型步驟包括射出成型、射壓成型、熱壓成型、押出成型及真空成型。
14.如實施例12或13所述之方法，其中該透明塑膠包括環烯烴共聚合物、聚碳酸酯、壓克力及聚丙烯，且該波導層之材質為二氧化鈦、二氧化矽、三氧化二鈦、五氧化二鉭及氧化鋅其中之一。
15.一種檢測一待測物之至少一性質的方法，包括： 提供一基板、一波導層及一上蓋；使該基板具一第一側凹凸表面及一第二側凹凸表面；使該波導層具一上表面與各該凹凸表面對應的一第一側凹凸部及一第二側凹凸部，各該凹凸部構成一雙面光柵結構；以及使該上蓋具一內表面、與該基板配合而使該內表面與該上表面形成一完整之空間以容納該待測物，其中一光線由該二雙面光柵結構耦合入及耦合出該波導層，以測量該待測物的該至少一性質。
16.如實施例15所述之方法，其中該光線以一耦合位置及一耦合角度從該第一側凹凸部耦合入該波導層，並從該第二側凹凸部耦合出該波導層。。
17.如實施例15或16所述之方法，其中該耦合位置位於該第一側凹凸部的0.5mm至5mm之間，且該耦合角度介於11.09度至12.39度之間。
綜上所述，本發明確能以一新式的設計，藉由利用光的二次耦合來提高偵測能力及靈敏度，有別於習知中只有耦入光或耦出光的單一耦合效應，經由二次耦合效應達到加成效果，以強化雙光柵感測器的檢測能力。另外，相較於習知技術，本發明的雙光柵感測器為利用兩次奈米壓印的方式來製作雙光柵晶片射出用的模仁，能夠讓模仁更堅固耐用，提高其在量產時的使用次數，以降低量產的成本。故凡熟習本技藝之人士，得任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
100‧‧‧雙光柵感測器
110‧‧‧基板
111‧‧‧第一側凹凸表面
112‧‧‧第二側凹凸表面
120‧‧‧波導層
121‧‧‧上表面
122‧‧‧下表面
123‧‧‧第一側凹凸部
124‧‧‧第二側凹凸部
125‧‧‧矩形光通道
126‧‧‧第一端
127‧‧‧第二端
128‧‧‧第三端
129‧‧‧第四端
130‧‧‧流道
140‧‧‧上蓋
141‧‧‧內表面
142‧‧‧入口
143‧‧‧出口
150‧‧‧雙雙面光柵結構
151‧‧‧第一雙面光柵結構
152‧‧‧第二雙面光柵結構
400‧‧‧待測物

Claims (11)

  1. 一種雙光柵感測系統，係用以檢測一待測物之至少一性質，包括：一基板；一波導層，形成於該基板上，具有一第一雙面光柵結構及一第二雙面光柵結構；一流道，設置於該波導層上，供該待測物通過並覆蓋於該第一雙面光柵結構及該第二雙面光柵結構上；以及一光源，產生一光線，該光線由該第一雙面光柵結構耦合入該波導層，並經過及由該第二雙面光柵結構耦合出該波導層，以測量該待測物的該至少一性質，其中該光線經過該第一雙面光柵結構、該波導層及該第二雙面光柵結構使該雙光柵感測系統之靈敏度具有加成效果。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雙光柵感測系統，更包括：一光偵測器；以及一資料處理器，與該光偵測器連接，其中該光偵測器偵測該光線經過該第一雙面光柵結構、該波導層及該第二雙面光柵結構後的一出射光線的一光強度，且該資料處理器處理該光強度，以得到該待測物的該至少一性質。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雙光柵感測系統，其中該 待測物包括需進行結合反應的標定待測物及不需進行結合反應的免標定待測物。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雙光柵感測系統，其中該基板的材質為一透明塑膠，該透明塑膠包括環烯烴共聚合物、聚碳酸酯、壓克力及聚丙烯，且該波導層之材質為二氧化鈦、二氧化矽、三氧化二鈦、五氧化二鉭及氧化鋅其中之一。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之雙光柵感測系統，其中該流道被一上蓋覆蓋，該上蓋在對應該第一雙面光柵結構的一端部位置具有一入口，以導入該待測物至該流道。
  6. 一種雙光柵感測器，係用以檢測一待測物之至少一性質，包括：一基板，具一第一側凹凸表面及一第二側凹凸表面；一波導層，具一上表面、與各該凹凸表面對應的一第一側凹凸部及一第二側凹凸部，各該凹凸部構成一雙面光柵結構，且設置於該基板上；以及一上蓋，具一內表面、與該基板配合而使該內表面與該上表面形成一完整之空間以容納該待測物，其中一光線由該二雙面光柵結構耦合入及耦合出該波導層，以測量該待測物的該至少一性質。
  7. 一種製造如申請專利範圍第6項的雙光柵感測器的方法，包括：製作具有一雙光柵圖案的一模仁； 利用該模仁使一透明塑膠經由一成型步驟以得到該基板；形成該波導層於該基板上，以得到一雙光柵片；以及將該上蓋黏合至該雙光柵片上，使該波導層與該上蓋之間形成供該待測物通過的該流道，以得到該雙光柵感測器。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該波導層以一沈積方式形成於該基板上，該沈積方式包括濺鍍法、蒸鍍法、浸鍍法及旋鍍法，且該成型步驟包括射出成型、射壓成型、熱壓成型、押出成型及真空成型。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該透明塑膠包括環烯烴共聚合物、聚碳酸酯、壓克力及聚丙烯，且該波導層之材質為二氧化鈦、二氧化矽、三氧化二鈦、五氧化二鉭及氧化鋅其中之一。
  10. 一種檢測一待測物之至少一性質的方法，包括：提供一基板、一波導層及一上蓋；使該基板具一第一側凹凸表面及一第二側凹凸表面；使該波導層具一上表面與各該凹凸表面對應的一第一側凹凸部及一第二側凹凸部，各該凹凸部構成一雙面光柵結構；以及使該上蓋具一內表面、與該基板配合而使該內表面與該上表面形成一完整之空間以容納該待測物，其中一 光線由該二雙面光柵結構耦合入及耦合出該波導層，以測量該待測物的該至少一性質。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該光線以一耦合位置及一耦合角度從該第一側凹凸部耦合入該波導層，並從該第二側凹凸部耦合出該波導層。
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