專利名稱：生物感測裝置及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物感測裝置及其系統(tǒng)，尤其涉及一種具備定域電漿共振及繞射 耦合技術(shù)的生物感測裝置及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，根據(jù)表面電漿共振(SPR)光譜學(xué)取決于金屬內(nèi)自由電子電荷密度波的微小 改變量的量測結(jié)果，以更廣泛的應(yīng)用于探討面際之間現(xiàn)象，而sra感測的實(shí)驗(yàn)配置可應(yīng)用 于貴重金屬薄膜及折光物體的平坦表面，其可使光偏極化為單一波長，如此即可量測內(nèi)部 反射系數(shù)。分子間的交互作用扮演重要的角色，且其還提供免標(biāo)記生物感測以探討生物分 子間的吸引力。然而，標(biāo)準(zhǔn)的sh 生物傳感器依據(jù)出射光的紀(jì)錄及量測結(jié)果設(shè)計(jì)，對應(yīng)最理 想的表面電漿結(jié)合金屬薄膜產(chǎn)生入射光束的角度偏移。因此，所述光學(xué)配置非常昂貴、不方 便且不易微型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問題而提出的，本發(fā)明的目的在于提供一種生物感測裝置 及其系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。為了達(dá)到本發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種生物感測裝置，具有基板、試樣、至少一個(gè) 光柵、復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子以及蓋板，所述基板含至少一個(gè)光柵，所述試樣含至少一個(gè)生物 分子，將所述復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子固定于光柵或基板的另一面上，并覆蓋所述蓋板，其中出 射光因所述試樣折射率變化或與所述復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子表面的生物分子產(chǎn)生交互作用 而產(chǎn)生改變。為了達(dá)到本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明提供一種生物感測系統(tǒng)，其包含光源、生物感 測裝置、檢測平臺以及處理單元，所述生物感測裝置包含基板、試樣、至少一個(gè)光柵、復(fù)數(shù)個(gè) 金屬奈米粒子以及蓋板，所述基板含至少一個(gè)光柵，所述試樣含至少一個(gè)生物分子，將所述 復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子固定于光柵或基板的另一面上，并覆蓋所述蓋板，其中出射光因所述 試樣折射率變化或與所述復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子表面的所述生物分子產(chǎn)生交互作用而產(chǎn)生 改變。所述檢測平臺用于檢測出射光的繞射角度及/或光強(qiáng)度，并傳送數(shù)據(jù)給所述處理單兀。


圖1A為本發(fā)明的生物感測系統(tǒng)的實(shí)施例的光學(xué)配置圖；圖1B為本發(fā)明的生物感測裝置的實(shí)施例的示意圖；圖1C為本發(fā)明的生物感測裝置的另一實(shí)施例的示意圖2A為本發(fā)明的生物感測系統(tǒng)的折射率-位置的曲線圖；圖2B為本發(fā)明的生物感測裝系統(tǒng)的折射率-光強(qiáng)度的曲線圖；圖3為本發(fā)明的生物感測系統(tǒng)的光波長-吸收比的曲線圖；圖4為本發(fā)明的生物感測系統(tǒng)的反硝基苯抗體(Anti-DNP)濃度-位移的曲線圖；圖5為本發(fā)明的生物感測系統(tǒng)的位移_時(shí)間的曲線圖；以及圖6為本發(fā)明的生物感測裝置的陣列格式的示意圖。主要符號說明11為光源，17為蓋板，12為生物感測裝置，18為金屬奈米粒子，13 為檢測平臺，19為微流道，14為處理單元，151為波導(dǎo)層，以及15為基板，51為注入點(diǎn)，16為光柵。
具體實(shí)施例方式金屬奈米粒子的一個(gè)自由電子波的固有共振現(xiàn)象被稱為定域電漿共振(LPR)，人 們將其發(fā)展為一種技術(shù)。UR決定奈米粒子的集體電荷密度震蕩，且可不使用衰減全反射 (ATR)設(shè)置光學(xué)配置。類似建立于ATR上的傳統(tǒng)SPR，此共振情況可檢測出四周材料界面間 折射率當(dāng)前的變化以及生物分子在膠體溶液界面的相互作用。因此，通過使用UR技術(shù)再 加上簡單的光學(xué)配置可構(gòu)成極小的傳感器。LPR技術(shù)不需要繁雜的光學(xué)系統(tǒng)即可提供高感度免標(biāo)記光學(xué)生物檢測。在該生物 傳感器中，繞射光柵利用壓印、全像術(shù)或射出成型的方式建立于玻璃或高分子聚合物薄片 上。之后，金屬奈米粒子固定于光柵或基板另一側(cè)上。利用光繞射光柵后的出射光，可根據(jù) 檢測平臺檢測光反射式繞射現(xiàn)象產(chǎn)生的角度或強(qiáng)度的信號，檢測平臺可為位置靈敏檢測器 或光強(qiáng)度感應(yīng)器。所述信號對金屬奈米粒子外在環(huán)境折射率改變或金屬奈米粒子表面的生 物分子交互作用具有高度靈敏性。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)注意，自然界金屬奈米粒子不限于金， 其可為其它貴重金屬奈米粒子。所述傳感器可通過簡單的光學(xué)設(shè)計(jì)來制造及建立。更進(jìn)一 步來說，所述檢測器可進(jìn)行現(xiàn)場檢測且不受任何條件的限制。參照圖1A，其為本發(fā)明的生物感測系統(tǒng)的實(shí)施例的光學(xué)配置圖。光源11由激光 裝置發(fā)射的激光束構(gòu)成，其以入射角9 ,入射生物感測裝置12的光柵內(nèi)以激發(fā)表面電漿模 態(tài)。當(dāng)入射角在特定范圍內(nèi)時(shí)，激光束與基板耦合?；迳系墓鈻爬@射激光束由位于角度 、的檢測平臺13所量測，該檢測平臺13可為位置靈敏傳感器或光強(qiáng)度傳感器。所述檢測 平臺13接收所述生物感測裝置的出射光后產(chǎn)生檢測信號。處理單元14電性連接到所述檢 測平臺，以接收并分析所述檢測信號。由此，該檢測信號通過處理單元14加以計(jì)算并顯示 給實(shí)驗(yàn)者觀看，如此即完成整個(gè)光學(xué)配置的運(yùn)作流程。此時(shí)，所述光源11除了如上所述的 激光之外，還可以采用發(fā)光二極管(LED)構(gòu)成。而且，所述處理單元可為計(jì)算機(jī)處理器。參照圖1B，其為本發(fā)明的生物感測裝置的示意圖。圖中，生物感測裝置用于出 射光束以產(chǎn)生至少一個(gè)出射光，該出射光的繞射角度及/或光強(qiáng)度由檢測平臺13加以檢 測，生物感測裝置包含基板15、至少一個(gè)光柵16、蓋板17及復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子18。光 柵16形成于所述基板15上，金屬奈米粒子18固定于光柵16的另一側(cè)，所述基板還包含 波導(dǎo)層，所述波導(dǎo)層用以導(dǎo)引光束。所述生物感測裝置為具有光柵16耦合定域電漿共 振(LPR)的結(jié)構(gòu)。其中，所述生物感測裝置蓋板17還包含微流道19以覆蓋金屬奈米粒 子18，金屬奈米粒子18可為金奈米粒子(gold-nanoparticle)，其設(shè)置于波導(dǎo)層上。更進(jìn)一步說，所述貴金屬奈米粒子的表面可以設(shè)置各種辨識單元，所述辨識單元為化學(xué)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。所述辨識單元用于感測金屬離子、抗體(antibody)、抗原 (antigen)、細(xì)胞激素(cytokine)、激素受體(hormone)、成長因子(growth factor)、神經(jīng) 勝妝(neuropeptide)、血紅素(hemoglobin)、血菜蛋白(plasma protein)、胺基酸(amino acid)、維生素(vitamin)、核酸(nucleic acid)、碳水化合物(carbohydrate)、醣蛋白 (glycoprotein)、脂肪酸(fatty acid)、磷脂酸(phosphatidic acid)、固醇(sterol)、抗生 素(antibiotic)、細(xì)胞(cell)、毒素(toxin)、病毒(virus)或細(xì)菌(bacterium)。例如在 貴金屬奈米粒子的表面設(shè)置具有螯合能力化學(xué)分子時(shí)，就可以用來感測特定大小的醣類或 金屬離子等等；又例如可以通過在貴金屬奈米粒子的表面設(shè)置抗體，傳感器便能針對特定 的抗原做檢測；相反的，也可以在貴金屬奈米粒子的表面設(shè)置特定的抗原，以檢測特定的抗 體；又例如可以在貴金屬奈米粒子的表面修飾上核醣核酸或是脫氧核醣核酸等物質(zhì)，用以 檢測特定序列的遺傳物質(zhì)；在貴金屬奈米粒子的表面設(shè)置諸如醣類的其它物質(zhì)，也能用來 細(xì)菌檢測。將三甲氧基硅烷(MPTMS)溶于甲苯溶劑里，并將基板15浸泡于含有所述MPTMS溶 液的瓶子中，以此處理基板15的表面。然后，將所述基板取出并放入具有金奈米粒子的溶 液中，使金奈米粒子附著在基板15上，以自我組裝的方式在基板的處理表面上形成金奈米 粒子薄層。利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成的蓋片17具有微射流通道19，該微射流通 道19設(shè)置于基板上的具有金奈米粒子的一側(cè)。利用壓印所形成的光柵還可設(shè)置于基板的 另一側(cè)以達(dá)到感測效果。參照圖1C，其為本發(fā)明的生物感測裝置的另一實(shí)施例的示意圖。其中，波導(dǎo)層151 采用如溶膠凝膠薄層、濺鍍薄膜或光阻劑薄層等，其設(shè)置于基板15上，且光柵16直接設(shè)置 于所述波導(dǎo)層151上。不同種類的金屬奈米粒子18形成于所述光柵16上。具有微射流通 道19的蓋板17設(shè)置于基板上的設(shè)有金屬奈米粒子18的一側(cè)。其中，基板15為玻璃或高 分子薄片，金屬奈米粒子18為貴金屬奈米粒子，光柵16為繞射光柵。參照圖2，其為本發(fā)明的生物感測系統(tǒng)的折射率-位置的曲線圖。所述檢測平臺 13量測經(jīng)由生物感測裝置12反射式繞射所產(chǎn)生的出射光，檢測平臺13的量測依據(jù)出射光 在檢測平臺的位置。將金奈米粒子表面浸于蔗糖溶液中時(shí)，光因折射率的不同，使位移量產(chǎn) 生變化。所述檢測平臺13可為位置靈敏傳感器(PSD)或光強(qiáng)度感應(yīng)器。當(dāng)蔗糖溶液的折 射率增加至特定范圍，在PSD中的反射式繞射光束的位置與折射率的關(guān)系形成如圖2A所示 的線性關(guān)系，而反射式繞射光束的光強(qiáng)度與折射率的關(guān)系形成如圖2B所示的線性關(guān)系。參照圖3，其為本發(fā)明的生物感測系統(tǒng)的光波長-吸收比的曲線圖。對金奈米粒子 進(jìn)行處理以使其具有抗原二硝基苯(DNP)的抗原，并進(jìn)一步結(jié)合反硝基苯抗體(anti-DNP) 之后，觀察波長峰值的位移量及峰值吸收比的增加量。其峰值吸收比因二硝基苯(DNP)抗 原及反硝基苯抗體(anti-DNP)的表面結(jié)合而增加。如上的光譜的變化與實(shí)際情況一致，金 奈米粒子的光譜隨著四周環(huán)境的折射率不同產(chǎn)生變化。參照圖4，其為本發(fā)明的生物感測系統(tǒng)的反硝基苯抗體(Anti-DNP)濃度-位移的 曲線圖。該曲線圖對應(yīng)反硝基苯抗體濃度范圍。在該濃度范圍內(nèi)，檢測平臺13對抗體的反 應(yīng)曲線如圖4所示，并針對X坐標(biāo)值取對數(shù)，得出一個(gè)線性關(guān)系，如圖4的插圖所示。通過實(shí)時(shí)檢測可立即得到樣品(sample)的互動信息。檢測平臺13依據(jù)濃度的不同使反射式繞 射光的位置位移產(chǎn)生變化并實(shí)時(shí)顯示于相位感測檢測器(PSD)中。參照圖5，其為本發(fā)明的生物感測系統(tǒng)的時(shí)間_位移的曲線圖。經(jīng)過觀察可得到二 硝基苯(DNP)抗原及反硝基苯抗體(anti-DNP)之間所產(chǎn)生的明確反應(yīng)。在注入點(diǎn)51注入 反硝基苯抗體(anti-DNP)溶液，約900秒后，生物感應(yīng)裝置12發(fā)生了明顯的反應(yīng)變化并回 歸至穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)由實(shí)驗(yàn)后所取得的圖2、圖3、圖4及圖5可得知，生物感測裝置12所繞 射的光對金屬奈米粒子外在環(huán)境的折射率或所述金屬奈米粒子表面的生物分子的交互作 用具有高度靈敏性，所述出射光最終由檢測平臺檢測反射式繞射光的強(qiáng)度或位移結(jié)果。圖 6為本發(fā)明的生物感測裝置的陣列格式示意圖，由圖中可知，通過一個(gè)由復(fù)數(shù)個(gè)光柵所形成 的陣列格式即可實(shí)現(xiàn)多重檢測的功效。如上所述，采用簡單且符合成本效益的光學(xué)配置搭配生物感測裝置以形成生物感 測系統(tǒng)，該生物感測系統(tǒng)包含光源、生物感測裝置、檢測平臺及處理單元(如圖1A所示)，如 此即可利用生物相互作用的方式分析出分析樣品的濃度。所述生物感測系統(tǒng)具有免標(biāo)記、 快速及小量樣品的需求，且其不因激光光點(diǎn)的縮小而影響其靈敏度，且更可整合生物感測 裝置上的微流道以配合大產(chǎn)量的測定。以上所述僅為舉例性，而非為限制性。任何未脫離本發(fā)明的精神與范疇，而對其進(jìn) 行的等效修改或變更，均應(yīng)包含于本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種生物感測裝置，其特征在于包含基板，其包含波導(dǎo)層，所述波導(dǎo)層用以導(dǎo)引光束；試樣，其包含至少一個(gè)生物分子；至少一個(gè)光柵，所述光柵用于反射式繞射光束，以產(chǎn)生至少一個(gè)出射光；蓋板，其包含微流道，所述試樣置于所述微流道上；以及復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子，所述金屬奈米粒子和所述光柵分別固定于所述基板的兩側(cè)表面；其中所述出射光因所述試樣折射率變化或與所述復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子表面的所述生物分子產(chǎn)生交互作用而產(chǎn)生改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測裝置，其特征在于所述光柵為繞射光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測裝置，其特征在于所述蓋板覆蓋所述金屬奈米粒子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測裝置，其特征在于所述金屬奈米粒子上設(shè)有辨識單 元，以應(yīng)用在不同物質(zhì)的檢測上。
5.一種生物感測系統(tǒng)，其特征在于包含 光源，其提供光束；生物感測裝置，其包含基板，包含波導(dǎo)層，所述波導(dǎo)層用以導(dǎo)引所述光束； 試樣，其包含至少一個(gè)生物分子；至少一個(gè)光柵，所述光柵用于反射式繞射所述光束，以產(chǎn)生至少一個(gè)出射光； 蓋板，其包含微流道，所述試樣置于所述微流道上；以及復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子，所述金屬奈米粒子和所述光柵分別固定于所述基板的兩側(cè)； 檢測平臺，其接收所述生物感測裝置的出射光以產(chǎn)生檢測信號；以及 處理單元，其電性連接所述檢測平臺，接收并分析所述檢測信號； 其中所述出射光因所述試樣折射率變化或與所述復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子表面的所述生 物分子產(chǎn)生交互作用而產(chǎn)生改變。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物感測系統(tǒng)，其特征在于所述光柵為繞射光柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物感測系統(tǒng)，其特征在于所述蓋板覆蓋所述金屬奈米粒子。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物感測系統(tǒng)，其特征在于所述檢測平臺檢測所述出射光的 反射角度/或光強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的生物感測系統(tǒng)，其特征在于所述金屬奈米粒子上設(shè)有辨識單 元，以應(yīng)用在不同物質(zhì)的檢測上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物感測裝置及其系統(tǒng)，其包含光源、生物感測裝置、檢測平臺以及處理單元，所述生物感測裝置具有基板、試樣、至少一個(gè)光柵、復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子以及蓋板，所述基板含至少一個(gè)光柵，所述試樣含至少一個(gè)生物分子，而后將所述金屬奈米粒子固定于所述光柵或所述基板的另一面上，并覆蓋所述蓋板，其中出射光因所述試樣折射率變化或與所述復(fù)數(shù)個(gè)金屬奈米粒子表面的所述生物分子產(chǎn)生交互作用而產(chǎn)生改變。所述檢測平臺測定所述光在所述光柵中所產(chǎn)生的繞射現(xiàn)象產(chǎn)生的出射光，檢測所述出射光的繞射角度及強(qiáng)度，并將數(shù)據(jù)傳送至所述處理單元。
文檔編號G01N21/41GK101852731SQ20101019650
公開日2010年10月6日 申請日期2009年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日
發(fā)明者周禮君, 許偉庭, 謝文馨 申請人:周禮君