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專利名稱：生物感測(cè)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(cè)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(cè)裝置及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，根據(jù)表面電漿共振(SPR)光語(yǔ)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(cè)結(jié)果，以更廣泛的應(yīng)用于探討面際之間現(xiàn)象，而SPR感 測(cè)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(zhǎng)，如此即可量測(cè)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(cè)以探討生物分子間的吸引力。然而，標(biāo)準(zhǔn) 的SPR生物傳感器依據(jù)出射光的紀(jì)錄及量測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)，對(duì)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(wèn)題而提出的，本發(fā)明的目的在于提供一種生物 感測(cè)裝置及其系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題。
為了達(dá)到本發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種生物感測(cè)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
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(cè)系統(tǒng)，其包含光 源、生物感測(cè)裝置、檢測(cè)平臺(tái)以及處理單元，所述生物感測(cè)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述處理單元。


圖1A為本發(fā)明的生物感測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施例的光學(xué)配置圖IB為本發(fā)明的生物感測(cè)裝置的實(shí)施例的示意圖1C為本發(fā)明的生物感測(cè)裝置的另一實(shí)施例的示意圖2A為本發(fā)明的生物感測(cè)系統(tǒng)的折射率-位置的曲線圖2B為本發(fā)明的生物感測(cè)裝系統(tǒng)的折射率-光強(qiáng)度的曲線圖3為本發(fā)明的生物感測(cè)系統(tǒng)的光波長(zhǎng)-吸收比的曲線圖4為本發(fā)明的生物感測(cè)系統(tǒng)的反硝基苯抗體(Anti-DNP)濃度-位移的曲
線圖5為本發(fā)明的生物感測(cè)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(cè)裝置的陣列格式的示意圖。
主要符號(hào)說(shuō)明ll為光源，17為蓋板，12為生物感測(cè)裝置，18為金屬 奈米粒子，B為才企測(cè)平臺(tái)，19為孩i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)。LPR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^^測(cè)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(guò)使用LPR技術(shù)再加上簡(jiǎn)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(cè)。 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(cè)平臺(tái)檢測(cè)光反射式繞射現(xiàn)象產(chǎn)生的 角度或強(qiáng)度的信號(hào)，檢測(cè)平臺(tái)可為位置靈敏檢測(cè)器或光強(qiáng)度感應(yīng)器。所述信
6號(hào)對(duì)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(guò)簡(jiǎn)單的光學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)制 造及建立。更進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，所述檢測(cè)器可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng);險(xiǎn)測(cè)且不受任何條件的限制。
參照?qǐng)D1A,其為本發(fā)明的生物感測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施例的光學(xué)配置圖。光源
ii由激光裝置發(fā)射的激光束構(gòu)成，其以入射角e,入射生物感測(cè)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。
基板上的光柵繞射激光束由位于角度^的檢測(cè)平臺(tái)13所量測(cè)，該檢測(cè)平臺(tái) 13可為位置靈敏傳感器或光強(qiáng)度傳感器。所述檢測(cè)平臺(tái)13接收所述生物感 測(cè)裝置的出射光后產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)。處理單元14電性連接到所述檢測(cè)平臺(tái)，以 接收并分析所述^^測(cè)信號(hào)。由此，該^^測(cè)信號(hào)通過(guò)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?qǐng)D1B，其為本發(fā)明的生物感測(cè)裝置的示意圖。圖中，生物感測(cè)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(cè)平臺(tái)13加以檢測(cè)，生物感測(cè)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。所述生物感測(cè)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(cè)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為金奈米粒子 (gold-nan叩article)。更進(jìn)一步說(shuō)，所述貴金屬奈米粒子的表面可以設(shè)置各種 辨識(shí)單元，所述辨識(shí)單元為化學(xué)辨識(shí)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(shí)單元用于感測(cè)金屬離子、抗體(antibody)、抗原(antigen)、細(xì)胞激素 (cytokine)、 激素受體(hormone)、 成長(zhǎng)因子(growth factor)、 神經(jīng)勝肽 (neuropeptide)、血紅素(hemoglobin)、血漿蛋白(plasma protein)、胺基酸(amino acid)、纟食生素(vitamin)、才玄酉吏(nucleic acid)、碳 K4匕合4勿(carbohydrate)、醣蛋 白(glycoprotein)、月旨肪酉交(fatty acid)、石岸月旨酉臾(phosphatidic acid)、固醇(sterol)、 抗生素(antibiotic)、纟田月包(cell)、毒素(toxin)、病毒(virus)或細(xì)菌(bacterium)。例
7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(lái)感測(cè)
特定大小的醣類或金屬離子等等；又例如可以通過(guò)在貴金屬奈米粒子的表面 設(shè)置抗體，傳感器便能針對(duì)特定的抗原做檢測(cè)；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(cè)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(cè)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(lái) 細(xì)菌4全測(cè)。
將三曱氧基硅烷(MPTMS)溶于曱苯溶劑里，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。利用聚曱基丙烯酸甲酯 (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(cè)效果。
參照?qǐng)D1C，其為本發(fā)明的生物感測(cè)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?qǐng)D2，其為本發(fā)明的生物感測(cè)系統(tǒng)的折射率-位置的曲線圖。所述檢 測(cè)平臺(tái)13量測(cè)經(jīng)由生物感測(cè)裝置12反射式繞射所產(chǎn)生的出射光，檢測(cè)平臺(tái) 13的量測(cè)依據(jù)出射光在檢測(cè)平臺(tái)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(cè)平臺(tái)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?qǐng)D3，其為本發(fā)明的生物感測(cè)系統(tǒng)的光波長(zhǎng)-吸收比的曲線圖。對(duì)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(zhǎng)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。如上的光語(yǔ)的變化與實(shí)際情況一致，金奈米粒子的光語(yǔ)隨著四周環(huán) 境的折射率不同產(chǎn)生變化。
參照?qǐng)D4，其為本發(fā)明的生物感測(cè)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(duì)應(yīng)反硝基苯抗體濃度范圍。在該濃度范圍內(nèi)，檢 測(cè)平臺(tái)13對(duì)抗體的反應(yīng)曲線如圖4所示，并針對(duì)X坐標(biāo)值取對(duì)數(shù)，得出一 個(gè)線性關(guān)系，如圖4的插圖所示。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)可立即得到樣品(sample)的互 動(dòng)信息。檢測(cè)平臺(tái)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(cè);險(xiǎn)測(cè)器(PSD)中。
參照?qǐng)D5，其為本發(fā)明的生物感測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間-位移的曲線圖。經(jīng)過(guò)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(cè)裝置12所繞射的光對(duì)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(cè)平臺(tái)檢測(cè)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(cè)裝置的陣列格式示意圖，由圖中可知，通過(guò)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(cè)的功效。
如上所述，采用簡(jiǎn)單且符合成本效益的光學(xué)配置搭配生物感測(cè)裝置以形 成生物感測(cè)系統(tǒng)，該生物感測(cè)系統(tǒng)包含光源、生物感測(cè)裝置、檢測(cè)平臺(tái)及處
的濃度。所述生物感測(cè)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(cè)裝置上的微流道以配 合大產(chǎn)量的測(cè)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(duì)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
1、一種生物感測(cè)裝置，其特征在于包含基板；試樣，其包含至少一個(gè)生物分子；至少一個(gè)光柵，其形成于所述基板上，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，其固定于所述光柵的一側(cè)；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(cè)裝置，其特征在于所述基板為玻璃 或高分子薄片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)裝置，其特征在于所述金屬奈米粒 子為貴金屬奈米粒子。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)裝置，其特征在于所述金屬奈米粒 子為金奈米粒子或銀奈米粒子。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)裝置，其特征在于所述光柵為繞射 光柵。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)裝置，其特征在于所述金屬奈米粒 子和所述光柵分別固定于所述基板的兩側(cè)表面或者固定于所述基板的同一 側(cè)，且所述金屬奈米粒子固定于所述光柵上。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)裝置，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1所述的生物感測(cè)裝置，其特征在于所述基板還包含 波導(dǎo)層。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的生物感測(cè)裝置，其特征在于所述波導(dǎo)層為溶 膠凝膠薄層、'減鍍薄膜或光阻劑薄層。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物感測(cè)裝置，其特征在于所述金屬奈米粒 子上設(shè)有辨識(shí)單元，以應(yīng)用在不同物質(zhì)的4企測(cè)上。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的生物感測(cè)裝置，其特征在于所述辨識(shí)單元為化學(xué)辨識(shí)分子、抗體、抗原、凝集素、激素受體、核酸或醣類。
12、 根據(jù)權(quán)利要求11所述的生物感測(cè)裝置，其特征在于所述辨識(shí)單元 用于感測(cè)金屬離子、抗體、抗原、細(xì)胞激素、激素受體、成長(zhǎng)因子、神經(jīng)勝 肽、血紅素、血漿蛋白、胺基酸、維生素、核酸、碳水化合物、醣蛋白、月旨 肪酸、磷脂酸、固醇、抗生素、細(xì)胞、毒素、病毒或細(xì)菌。
13、 一種生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包含 光源，其提供光束；生物感測(cè)裝置，其包含 基板；試樣，其包含至少一個(gè)生物分子；至少一個(gè)光柵，其形成于所述基板上，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，其固定于所述光柵的一側(cè)； 檢測(cè)平臺(tái)，其接收所述生物感測(cè)裝置的出射光以產(chǎn)生檢測(cè)信號(hào)；以及 處理單元，其電性連接所述檢測(cè)平臺(tái)，接收并分析所述檢測(cè)信號(hào)；面的所述生物分子產(chǎn)生交互作用而產(chǎn)生改變。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述基板為玻 璃或高分子薄片。
15、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述金屬奈米 粒子為貴金屬奈米粒子。
16、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述金屬奈米 粒子為金奈米粒子或銀奈米粒子。
17、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述檢測(cè)平臺(tái) 為位置靈敏檢測(cè)器或光強(qiáng)度檢測(cè)器。
18、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述光柵為繞 射光柵。
19、根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述金屬奈米 粒子和所述光柵分別固定于所述基板的兩側(cè)表面或者固定于所述基板的同一 側(cè)，且所述金屬奈米粒子固定于所述光柵上。
20、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述蓋板覆蓋 所述金屬奈米粒子。
21、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述檢測(cè)平臺(tái) 檢測(cè)所述出射光的反射角度/或光強(qiáng)度。
22、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述光源為激 光或發(fā)光二極管。
23、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述處理單元 為計(jì)算機(jī)處理器。
24、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述基板還包 含波導(dǎo)層。
25、 根據(jù)權(quán)利要求24所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述波導(dǎo)層為 溶膠凝膠薄層、濺鍍薄膜或光阻劑薄層。
26、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述金屬奈米 粒子上設(shè)有辨識(shí)單元，以應(yīng)用在不同物質(zhì)的^f全測(cè)上。
27、 根據(jù)權(quán)利要求26所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述辨識(shí)單元 系為化學(xué)辨識(shí)分子、抗體、抗原、凝集素、激素受體、核酸或醣類。
28、 才艮據(jù)權(quán)利要求27所述的生物感測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述辨識(shí)單元 用來(lái)感測(cè)金屬離子、抗體、抗原、細(xì)胞激素、激素受體、成長(zhǎng)因子、神經(jīng)勝 肽、血紅素、血漿蛋白、胺基酸、維生素、核酸、碳水化合物、醣蛋白、脂 肪酸、磷脂酸、固醇、抗生素、細(xì)胞、毒素、病毒或細(xì)菌。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種生物感測(cè)裝置及其系統(tǒng)，其包含光源、生物感測(cè)裝置、檢測(cè)平臺(tái)以及處理單元，所述生物感測(cè)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(cè)平臺(tái)測(cè)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(cè)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(hào)G01N21/55GK101487794SQ200910002098
公開(kāi)日2009年7月22日 申請(qǐng)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(qǐng)人:周禮君