專利名稱：波導耦合表面等離子體共振生物傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種生物傳感器，特別涉及一種利用光柵以及金屬材料建立無須任何標記程序的生物分子間作用分析平臺，來實時測量分子間交互作用的物理量的一種波導耦合表面等離子體共振生物傳感器。
背景技術：
在微量生物分子作用的分析(biomolecular interaction analysis，BIA)中，生物芯片的發展與應用是近代生物技術從基因體學(genomic)跨入蛋白質體學(proteomic)的重要關鍵技術之一。生物芯片是同時偵測大量基因表現或偵測微量生物分子信息的有利工具，現今的檢測仍以熒光檢測為主流。然而熒光系統中涉及到繁瑣的熒光標記、部分分子標記的困難度、不可避免的熒光衰退及難以實時(real-time)提供交互作用的動力學信息等問題，故無標記(1abel-free)的檢測方法有其存在的意義與價值。異常反射光柵現象最早為1902年由R.W.Wood發現，之后許多文獻提出各種光柵結構的計算理論及驗證，這類的次波長光柵傳感器可稱為“波導模態共振次波長光柵(guided-mode resonant sub-wavelength grating)”。
美國早期公開專利第20030068657號提出一種比色共振反射(colorimetric resonant reflection)檢測法，在分子檢測的平臺上設計有光柵做為微小分子受體著床之處，光線在經過具有光柵的檢測平臺后，會反射出某種單一波長的光線。待測物質置于檢測平臺后用白光照射，由于待測物質中的分子與附著在光柵上的受體結合或反應，改變了入射光在光柵中行進的路徑長，而造成反射光波長的變化。利用光譜分析儀分析加入待測物質前后的反射光波長的變化，即可得知物質中是否具有所需的待測分子，可解析厚度極薄的蛋白質厚度，此方法不需要使用偵測熒光的探頭，也不需要先使用放射性的標記即可完成物質的檢測，但此設計的反射光譜的半腰全寬較寬，其測量上的波長分辨率無法達到足夠高的程度，無法輕易進行生理濃度等級的檢測。
圖1為美國公告專利第6483096號所公開的波導傳感器1，其波導層11上具有光柵結構(G)14，而待測物質10是在光柵結構14上。一入射光13進入到該傳感器1，由該光柵結構14耦合至該波導層11以形成一耦合光131，該耦合光131與待測物質2作用而激發出具有較長波長的一激發光132。該激發光131與該耦合光132經該光柵結構14而耦出(coupled out)光偵測器可以明確辨識的耦合光1311與激發光1321。該技術借助可調式二極管雷射及鎖相放大技術來達到更低的測量極限偵測微量生物分子，但由于可調雷射的波長范圍較窄，因此需配合精度較高的角度計，才能使入射波長由正確的角度進入波導產生共振耦合。
綜上所述，需要一種高靈敏度的波導生物傳感器，來解決公知技術所存在的問題。
發明內容
本發明的目的在于提供一種波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，以建立生物分子間作用分析平臺，可實時測量生化材料分子間的交互作用物理量，達到無須進行任何標記程序即可檢測生物分子間的作用的目的。
本發明的另一目的在于提供一種波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其利用光源激發金屬表面自由電荷來產生表面等離子體共振現象，達到提升傳感器靈敏度的目的。
本發明的又一目的在于提供一種波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，借助光柵厚度減小至生物分子尺寸時，生物分子越容易破壞芯片的共振效應，得到窄化的反射共振峰，進而達到提升測量分辨率的目的。
為了實現上述目的，本發明提供了一種波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，包括一光柵層，其為透光材料，該光柵層上具有周期性的一第一光柵結構；一波導層，其形成于該第一光柵結構上，該波導層的折射率大于該光柵層的折射率；一等離子體共振層，其形成于該波導層上，該等離子體共振層可借助光波激發來產生等離子體共振；以及一配體層，其形成于該等離子體共振層上，該配體層可與待測物質的受體進行結合反應。
較佳的是，該等離子體共振層為一金屬薄膜層。該金屬薄膜層選自于金、白金、以及銀所組成的群組。而該金屬薄膜層的厚度介于5nm至2μm之間。
該等離子體共振層也可為一金屬粒子層，該金屬粒子層為數個納米金屬粒子與介電材料的混合層。其中該金屬粒子層的厚度介于5nm至2μm之間；該金屬粒子的直徑介于1nm至2μm之間。而該金屬粒子選自于金、白金、以及銀所組成的群組。
較佳的是，該等離子體共振層還包括有一金屬薄膜層，其形成于該波導層上；以及一金屬粒子層，其形成于該金屬薄膜層上，該金屬粒子層為數個納米金屬粒子與介電材料的混合層。其中，該金屬薄膜層選自于金、白金、以及銀所組成的群組。而該金屬薄膜層的厚度介于5nm至2μm之間。該金屬粒子層的厚度介于5nm至2μm之間；該金屬粒子的直徑介于1nm至2μm之間。而該金屬粒子選自于金、白金、以及銀所組成的群組。
較佳的是，該波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其還包括有一自組單分子層，該自組單分子層形成于配體層與該等離子體共振層之間。其中該自組單分子層選自于硫氫基(HS)、胺基(NH2)、醛基(CHO)、羧基(COOH)以及生物素(biotin)所組成的群組。
較佳的是，該波導層的成分可選自于氮化硅、氮化鎵、氧化鉭、氧化銦錫、砷化銦鎵、砷化鎵、磷化銦、砷銻化鎵、氟化鎂、硫化鋅、碲化鋅、碲化鈹鋅、硒化鎂、鋁氮化鎵、金或銀、硫氫基(HS)、胺基(NH2)、醛基(CHO)、羧基(COOH)以及生物素(biotin)所組成的群組。
較佳的是，該第一光柵結構的深度與線寬均介于50nm至2μm之間下面配合附圖和具體實施例對本發明的特征作詳細說明，但不作為對本發明的限定。
圖1為公知技術的波導耦合傳感器示意圖；圖2A為本發明波導耦合表面等離子體共振生物傳感器的較佳實施例剖面示意圖；圖2B為本發明波導耦合表面等離子體共振生物傳感器光柵結構示意圖；圖3A為本發明波導耦合表面等離子體共振生物傳感器的感測示意圖；圖3B為檢測一特定分子的檢測方式說明示意圖；圖4A、4B為檢測一特定分子所得的零階反射光譜示意圖。
其中，附圖標記1-波導耦合傳感器10-待測物質11-波導層13-入射光131、1311-耦合光132、1321-激發光14-光柵2-波導耦合表面等離子體共振生物傳感器20-基板201-第一光柵結構21-波導層22-等離子體共振層221-金屬薄膜層222-金屬粒子層23-自組單分子層24-配體層3-介質31-待測受體90-入射光91-反射光W-線寬H-深度具體實施方式
波導耦合表面等離子體共振現象為當平行白光或不同入射角的單色光照射時，只有一窄的波長或特定角度激發出表面等離子體子而產生反射吸收光譜，其中心波長或角度稱波導耦合表面等離子體共振波長或角度。當波導耦合表面等離子體共振結構被微量破壞時，如生物分子在表面上的吸附作用造成微些的折射系數或厚度改變時，耦合激發表面等離子體子的光波向量改變，使得共振波長或角度漂移。因此，可在無任何標記下實時動態檢測生物分子間的作用情形。此具次波長金屬光柵結構的波導耦合表面等離子體共振結構，其生物傳感器的靈敏度可增加數倍以上，并可使得傳感器的檢測程序更為簡潔和迅速，方便醫護人員或個人家庭使用。
表面等離子體子為金屬界面上自由電荷受到外加電磁場的干擾，形成同調式的縱向振蕩并沿其界面以電磁波方式傳遞的物理現象，可借助棱鏡或光柵耦合激發光束的反射光譜加以偵測。當入射光與表面等離子體子的波向量達成相互匹配時，將形成表面等離子體共振，可將此視為電磁場在金屬界面大幅度強化現象。當達到表面等離子體共振條件時，在反射光強譜中形成反射強度極小現象，而此共振條件將因金屬表面上的微量變化而被劇烈改變。表面等離子體共振生物傳感器就是利用上述的技術，測量生物分子在金屬與液體或氣體界面發生交互作用時，所造成界面的微小改變(如生物分子的介電常數及膜厚)，可實現實時無標記的生物交互作用分析。
生物芯片的設計著重于外在生物分子在光柵表面作用時，破壞光波導共振模態的靈敏度，另外，要想提升測量的分辨率，就必須使反射共振峰窄化，因此加入薄光柵波導概念，可得到窄化的反射共振峰。由于光柵厚度減小至生物分子尺寸時，生物分子越容易破壞芯片的共振效應，而且薄光柵所需的波導厚度也較小，所以原則上采用減小光柵厚度的方式加以設計。以嚴格繞射向量理論為基礎，模擬次波長光柵的光學特性，設定光源為垂直入射的平行光計算光波的反射、穿透的繞射效率。
請參考圖2A，該圖為本發明波導耦合表面等離子體共振生物傳感器的較佳實施例剖面示意圖。該波導耦合表面等離子體共振生物傳感器2，包括一光柵層20、一波導層21、一等離子體共振層22以及一配體層24。該光柵層20，其為透光材料，且具有周期性的一第一光柵結構201。該波導層21，其形成于該第一光柵結構201上，該波導層21的折射率大于該光柵層20的折射率。該第一光柵結構201的深度H與線寬W均介于50nm至2μm之間(如圖2B所示)。在本實施例中，該波導層21的厚度介于5nm至2μm之間。
在本實施例中，該光柵層20為一基板，而該第一光柵結構201形成于該基板的表面上，該基板以透明的介質為主要選擇對象，例如石英或玻璃，以蝕刻或壓印的方式在表面制作周期性的凹凸結構，并以濺鍍、沉積、或壓印的方法在其表面結構上制作波導層。該波導層21的折射率比其上下側的介質折射率大。該波導層21可為氮化硅、氮化鎵、氧化鉭、氧化銦錫、砷化銦鎵、砷化鎵、磷化銦、砷銻化鎵、氟化鎂、硫化鋅、碲化鋅、碲化鈹鋅、硒化鎂、鋁氮化鎵、金、銀、金屬與介質所構成的材料或者是上述材料的任意組合。此外，該波導層也可具有硫氫基(HS)、胺基(NH2)、醛基(CHO)、羧基(COOH)以及生物素(biotin)或者上述官能基團的任意組合。
該等離子體共振層22，其形成于該波導層21上，該等離子體共振層22可借助光波激發來形成等離子體共振效應。該等離子體共振層22可為一金屬薄膜層、一金屬粒子層或者是兩者皆有的實施方式。在本實施例中，該等離子體共振層22包括有形成于該波導層21上的一金屬薄膜層221，并在金屬薄膜層221上增鍍金屬納米顆粒及介電材料混合的一金屬粒子層222，來增強電磁輻射效應，從而提升表面等離子體效應的靈敏度。該金屬薄膜層221的厚度介于5nm至2μm之間。該金屬粒子層222的厚度介于5nm至2μm之間；該金屬粒子的直徑介于1nm至2μm之間。至于金屬粒子或者是金屬薄膜層的材料可以選自于金、白金、以及銀所組成的群組。
該配體層24，其形成于該等離子體共振層22上，該配體層24可與待測物質的受體進行結合反應。在本實施例中，該配體層24可根據檢測的物質而選定。為了增加固定該配體的效果，可在該等離子體共振層22上建置一自組單分子層23(self assembled monolayer)，來提供易于固定配體層24的官能基或分子。該自組單分子層23選自于硫氫基(HS)、胺基(NH2)、醛基(CHO)、羧基(COOH)以及生物素(biotin)所組成的群組。
請參考圖3A，該圖為本發明波導耦合表面等離子體共振生物傳感器的感測示意圖。將圖2A的結構置放于具有待測受體31的一介質3中，進行預定的生物檢測程序；該介質3包含水、酒精或空氣。入射光90可采用垂直或偏斜入射光源，以在反射方向或穿透方向接收出射光線的方式進行驗證。將光信號送至計算機計算其光譜。此波導耦合表面等離子體共振生物傳感器2的靈敏度約可比一般次波長光柵波導生物傳感器增加一個數量級。
由于傳感器2上的配體層24僅會與特定的受體進行結合，因此如果該待測受體31為目標物的話，該待測受體31會與該配體層24進行配合。請參考圖3B，如果該介質3中的該待測受體31可與該配體層24進行結合的話，當該入射光90進入到該傳感器2時，由于該配體層24與該待測受體31結合之后會對特定的光波長產生吸收的現象，再加上入射光90與該等離子體共振層產生等離子體共振以及波導耦合現象，使特定波長的強度衰減得更加明顯，而形成如圖4A的結果。在圖4A中，縱軸為強度，橫軸為波長，從圖中可以發現反射光91的光譜上特定的波長強度會明顯下降，由此可以得知該待測受體與該配體結合之后，使入射光90的特定波長的強度衰減。反之，如果該待測受體無法與該配體進行結合的話，則會出現如圖4B所示的狀況。
綜上所述，本發明公開的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，利用波導耦合以及等離子體共振效應提升傳感器的靈敏度以及分辨率。
當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，包括一光柵層，其為透光材料，該光柵層上具有周期性的一第一光柵結構；一波導層，其形成于該第一光柵結構上，該波導層的折射率大于該光柵層的折射率；一等離子體共振層，其形成于該波導層上，該等離子體共振層可借助光波激發來產生等離子體共振；以及一配體層，其形成于該等離子體共振層上，該配體層可與待測物質的受體進行結合反應。
2.根據權利要求1所述的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，該等離子體共振層為一金屬薄膜層。
3.根據權利要求1所述的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，該等離子體共振層為一金屬粒子層，該金屬粒子層為數個納米金屬粒子與介電材料的混合層。
4.根據權利要求1所述的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，該等離子體共振層還包括有一金屬薄膜層，其形成于該波導層上；以及一金屬粒子層，其形成于該金屬薄膜層上，該金屬粒子層為數個納米金屬粒子與介電材料的混合層。
5.根據權利要求2、3或4所述的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，該金屬薄膜層以及該金屬粒子的材料分別可選自于金、白金、以及銀所組成的群組。
6.根據權利要求2、3或4所述的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，該金屬薄膜層以及該金屬粒子層的厚度分別介于5nm至2μm之間。
7.根據權利要求3或4所述的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，該金屬粒子的直徑介于1nm至2μm之間。
8.根據權利要求1所述的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，還包括有一自組單分子層，該自組單分子層形成于該配體層與該等離子體共振層之間。
9.根據權利要求1或8所述的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，該自組單分子層以及該波導層的成分分別可選自于硫氫基、胺基、醛基、羧基以及生物素所組成的群組。
10.根據權利要求1所述的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，該波導層的成分可選自于具有氮化硅、氮化鎵、氧化鉭、氧化銦錫、砷化銦鎵、砷化鎵、磷化銦、砷銻化鎵、氟化鎂、硫化鋅、碲化鋅、碲化鈹鋅、硒化鎂、鋁氮化鎵金、銀以及金屬與介質所構成的材料所組成的群組。
11.根據權利要求1所述的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，該第一光柵結構的深度與線寬均介于50nm至2μm之間。
12.根據權利要求1所述的波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，該波導層的厚度介于5nm至2μm之間。
13.一種波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其特征在于，包括一光柵層，其為透光材料，該光柵層上具有周期性的一第一光柵結構；一波導層，其形成于該第一光柵結構上，該波導層的折射率大于該光柵層的折射率；一等離子體共振層，其形成于該波導層上，該等離子體共振層可借助光波激發來產生等離子體共振，該等離子體共振層為一金屬層；以及一配體層，其形成于該等離子體共振層上，該配體層可與待測物質的受體進行結合反應。
全文摘要
本發明公開了一種波導耦合表面等離子體共振生物傳感器，其包括一光柵層、一波導層、一等離子體共振層以及一配體層。該光柵層為透光材料且具有周期性的一第一光柵結構，該波導層形成于該第一光柵結構上，該波導層的折射率大于該光柵層的折射率。該等離子體共振層形成于該波導層上，該等離子體共振層可借助光波激發來產生等離子體共振效應。該配體層形成于該等離子體共振層上，該配體層可與待測物質的受體進行結合反應。利用本發明的傳感器可建立生物分子間作用分析的平臺，以無標記的檢測方式，實時測量生化材料分子間的交互作用、反應速率、分子動力學等物理量，以達到高靈敏度的檢測效果。
文檔編號G01N21/00GK1971267SQ20051012402
公開日2007年5月30日 申請日期2005年11月23日 優先權日2005年11月23日
發明者陳顯禎, 毛彥杰, 易政男, 簡汎清, 林俊佑, 朱怡銘, 陳來勝, 王維漢, 吳兆棋, 林彥君 申請人:財團法人工業技術研究院