光纤式定域等离子体共振感测装置及其系统的制作方法

专利名称：光纤式定域等离子体共振感测装置及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种感测装置及其系统，特别是涉及一种光纤式定域等离子体共振感
测装置及其系统。
背景技术：
目前，定域等离子体(或称为电桨)共振(Localized PlasmonResonance， LPR) 能即时反应出金属奈米粒子所处环境的折射率的变化，当定域等离子体共振谱带产生改变 时，其出射光的光谱分布或是光能量同样会受到影响。若金属奈米表面修饰着具有选择能 力的辨识单元，那么分析样品中就只有特定的对应物质才能吸附在金奈米颗粒表面，也才 能影响到金属奈米粒子所感受到的环境折射率，藉此就能达到专一性的检测能力。更进一 步地，如果将金属奈米粒子层(如金或银的奈米粒子)固定在光纤基材上，除了能有效的 减小感测器的体积外，更能利用光纤多次全反射的现象去累积LPR信号的变化量，使感测 器的感测灵敏度更加提升。换句话说，在每一次的光反射时，入射光信号皆会受到定域等离 子体共振的影响而光能量被部份吸收或散射，因此当反射次数越多次时，此频率处的光能 量衰减就会持续地累加，因此也就能达到灵敏度提升的目的了 。而上述结合光纤基材与定 域等离子体共振原理所开发而成的感测元件，我们就称之为光纤式定域等离子体共振感测 (Fiber-Optic Localized Plasmon Resonance, FO-LPR)，与辨识分子整合后，它同时具备 着专一性、并且高灵敏性的感测能力，因此很有潜力开发成即时检测用的感测器材。再者， 利用多次全反射去累积信号的方法，亦可应用于表面增强光谱的感测技术上，如表面增强 及拉曼散身寸(Surface—enhanced Raman Scattering)及表面增强焚光(Surface—enhanced fluorescence)。 虽然FO-LPR能具有即时并且高度专一性的检测能力，但是当用于真实样品的检 测时，感测器必须直接暴露在复杂的环境中，此时诸如细胞碎屑、血浆、血球、免疫细胞、甚 至灰尘与纤维质等等干扰源，皆有机会以吸附或沉积等方式沾粘在感测器表面，此时金属 奈米粒子就会感受到这些覆盖物所造成的折射率变化，使得量测结果产生严重的偏差。因 此，若要让F0-LPR真正能用于真实样品的检测上，势必得先排除这些大颗粒干扰物所产生 的非特异性吸附的现象。

发明内容
有鉴于上述习知技术的问题，本发明的目的就是在提供一种光纤式定域等离子体 共振感测装置及其系统，以解决与习知技术有关的问题。 本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出
的一种光纤式定域等离子体共振感测装置，其包含至少一光纤；一贵金属奈米粒子层，固
定在该光纤上；以及一过滤薄层，是一多孔洞材料，且包覆该光纤；其中，该多孔洞材料的
孔径或性质是依照一待测物质的特性去做选择并同时隔离一干扰源。 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
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前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的光纤是一光纤式定域等离 子体共振(Fiber-Optic Localized Plasmon Resonance)的光纤。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的光纤的剥壳区域为一感测 区域。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的光纤选用一整图剥除外壳 (cladding)的光纤或选用一部分剥除外壳的光纤。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的部分剥除外壳的光纤为一 D形光纤(D-f iber)。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的贵金属奈米粒子层与入射 光作用后会产生荧光或拉曼散射光。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的贵金属奈米粒子层由金奈 米粒子或银奈米粒子所组成。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的过滤薄层的孔径大小介于 0. 2微米至20微米。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的过滤薄层的孔径密度介于 4X104cm—2至20X 104cm—2。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的过滤薄层的厚度介于50 微米至100微米。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的过滤薄层的截流分子量 (丽CO， molecular weight cut off)小于或等于500KDa。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的过滤薄层的材料 为聚砜(PS， polysulfone)、纤维素脂(CE， Cellulose Ester)、再生纤维素(RC， Regenerated Cellulose)、聚醚风(PES, polyethersylfone)以及聚芳香醚砜(PAES， polyarylethersulphone)的其一或其组合。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的过滤薄层与该光纤之间还
包含一表面开洞刚性材料，以提供一物理支撑并引导该待测物质至特定感测区域。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的表面开洞刚性材料的开洞
形状为一圆形孔洞形状或一细长缝隙形状。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中还包含至少一导管，置于该过滤 薄层内，该至少一导管用以导入或流出该待测物质。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的至少一导管将该待测物质 抽入或抽离该过滤薄层。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的过滤薄层将该待测物质进 行筛选与纯化。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的干扰源为一血球、一细胞 碎屑、免疫细胞、灰尘、纤维质、细菌、一局部蛋白质、一大分子、一具有沾粘性质或大颗粒的 杂质。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的光纤的末端镀上一镜面 (mirror coating)，用以反射光信号。
前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的贵金属奈米粒子层固定在 该光纤末端，用以散射或反射光信号。 前述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其中所述的光纤利用蚀刻方式将该 光纤末端的核心(core)镂空以形成一镂空部分，该镂空部分包含一多孔性材料(porous material)，并将该贵金属粒子固定在该多孔性材料上。 本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的
一种光纤式定域等离子体共振感测系统，其包含一光纤式定域等离子体共振感测装置，包
含至少一光纤；一贵金属奈米粒子层，固定在该光纤上；及一过滤薄层，是一多孔洞材料，
且包覆该光纤；一光源，提供一光束入射该光纤式定域等离子体共振感测装置；以及一侦
测单元，接收该光纤式定域等离子体共振感测装置的出射光以产生一侦测信号；其中，该多
孔洞材料的孔径或性质依照一待测物质的特性去做选择并同时隔离一干扰源。 本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的光纤为一光纤式定域等离
子体共振(Fiber-Optic Localized Plasmon Resonance)的光纤。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的光纤的剥壳区域为一感测 区域。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的光纤选用一整圈剥除外壳 (cladding)的光纤或选用一部分剥除外壳的光纤。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的部分剥除外壳的光纤为一 D形光纤(D-f iber)。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的贵金属奈米粒子层与入射 光作用后会产生荧光或拉曼散射光。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的贵金属奈米粒子层由金奈 米粒子或银奈米粒子所组成。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的过滤薄层的孔径大小介于 0. 2微米至20微米(ii m)。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的过滤薄层的孔径密度介于 4X104cm—2至20X 104cm—2。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的过滤薄层的厚度介于50 至100微米(ii m)。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的过滤薄层的截流分子量 (丽CO， molecular weight cut off)小于或等于500KDa。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的过滤薄层的材料 为聚砜(PS， polysulfone)、纤维素脂(CE， Cellulose Ester)、再生纤维素(RC， Regenerated Cellulose)、聚醚风(PES, polyether sylfone)以及聚芳香醚砜(PAES， polyarylethersulphone)的其一或其组合。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的过滤薄层与该光纤之间还
包含一表面开洞刚性材料，以提供物理支撑并引导该待测物质至特定感测区域。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的表面开洞刚性材料的开洞形状为一圆形孔洞形状或一细长缝隙形状。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中还包含至少一导管，置于该过滤 薄层内，该至少一导管用以导入或流出该待测物质。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的至少一导管将该待测物质 抽入或抽离该过滤薄层。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的过滤薄层将该待测物质进 行筛选与纯化。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的干扰源为一血球、一细胞 碎屑、免疫细胞、灰尘、纤维质、细菌、一局部蛋白质、一大分子、一具有沾粘性质或大颗粒的 杂质。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的光纤的末端镀上一镜面 (mirror coating)，用以反射光信号。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的贵金属奈米粒子层固定在 该光纤末端，用以散射或反射光信号。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的光纤利用蚀刻方式将该 光纤末端的核心(core)镂空以形成一镂空部分，该镂空部分包含一多孔性材料(porous material)，并将该贵金属粒子固定在该多孔性材料上。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的光源为一激光束或一发光 二极管(LED)。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中所述的侦测单元为一光电二极管 (Photodiode)。 前述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其中还包含至少一导管和一泵 (pump)，该泵藉由该至少一导管将该待测物质抽入或抽离该过滤薄层。 本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明
光纤式定域等离子体共振感测装置及其系统至少具有下列优点及有益效果 (1)此光纤式定域等离子体共振感测装置及其系统倚靠其过滤薄层的多孔洞材
料，使其能真正应用在复杂真实样品的检测上。 (2)此光纤式定域等离子体共振感测装置及其系统可依照目标分子的特性去做选 择，尽量只让欲检测的物质能通透而入，并同时隔离不必要的干扰源。 综上所述，本发明是有关一种光纤式定域等离子体共振感测装置及其系统。该光 纤式定域等离子体共振感测系统包含一光源、一光纤式定域等离子体共振感测装置以及一 侦测单元，该光源提供一光束入射该光纤式定域等离子体共振感测装置，该侦测单元接收 该光纤式定域等离子体共振感测装置的出射光以产生一侦测信号。该光纤式定域等离子 体共振感测装置包含一光纤、一贵金属奈米粒子层以及一过滤薄层，该过滤薄层为一多孔 洞材料，其中该多孔洞材料的孔径或性质依照待测物质的特性去做选择并同时隔离一干扰 源。本发明在技术上有显著的进步，并具有明显的积极效果，诚为一新颖、进步、实用的新设 计。 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。


图1是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的第一实施例的示意图。图2是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的第二实施例的示意图。图3A是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的第三实施例的示意图。图3B是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的反射式F0-LPR的构造图。图4A是本发明的本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤整圈剥除的
示意图
示意图
剖面图
图4B是本发明的本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤部分剥除的图4C是本发明的本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤部分剥除的
图4D是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤末端镀上一个镜面的感测探针示意图。 图4E是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤末端修饰贵金属奈米粒子层的感测探针示意图。 图4F是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤末端核心镂空填入多孔性材料并修饰贵金属奈米粒子的感测探针示意图。 图4G是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤末端修饰贵金属奈米粒子层的感测探针示意图。 图5是本发明的光纤式定域等离子体共振感测系统的第四实施例的示意图。
图6是本发明的光纤式定域等离子体共振感测系统结合透析技术对折射率变化的感测的信号时间关系图。 图7A是本发明的含干扰源PS球的水溶液样品经过滤薄层成澄清水溶液的示意图。 图7B是本发明的光纤式定域等离子体共振感测系统在干扰源环境下PS水溶液与其滤液的信号反应进行感测。 图7C是本发明的光纤式定域等离子体共振感测系统对不同折射率但含干扰源PS球的水溶液样品进行感测的信号时间关系图。 图8A是本发明的光纤式定域等离子体共振感测系统在干扰源环境下针对生化分子进行感测的信号时间关系图。 第8B图是本发明的光纤式定域等离子体共振感测系统在干扰源环境下针对生化
分子进行感测的取各个平衡时的对信号对浓度对数进行数据分析的结果关系图。 图9是本发明的光纤式定域等离子体共振感测系统对链霉素与反维生素H的筛选
与感测能力的信号时间关系图。
1 :光纤式定域等离子体共振感测装置 2 :光纤 3 :贵金属粒子层 4 :过滤薄层 5 :导管 51 :第一导管
52 :第二导管 7 :镜面 9:光源 ll:PS水溶液
6 :表面开洞刚性材料8 :多孔性材料10 :侦测单元12 :滤液 13 :纯水
具体实施例方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的光纤式定域等离子体共振感测装置及其系统其具体实施方式
、结构、特征及其功效进行详细说明。 此项专利发明的初衷，是有鉴于任何生化感测器不管是经过了多少次的表面处
理，皆不能完全免除真实样品中所有杂质的干扰，即使FO-LPR技术虽有一定能力的选择
性，同样也受困于非特异性吸附的干扰。因此为了减少此种非预期的结果，我们在FO-LPR
的光纤外包覆一能对分子大小或特性进行筛选的过滤薄层，直接以隔离的方式将大颗粒干
扰物排除在感测区域之外，并利用过滤薄层的多孔洞材料选择性的通透性质，只让欲检测
的分析物进入，此时FO-LPR的感测区域里就能有较单纯较干净的工作环境了。此外，此筛
选用的薄层以中空管柱的形状为佳，而整体组合元件的体积也越小越好。 请参阅图1所示，是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的第一实施例的
示意图。本发明第一实施例的光纤式定域等离子体(或称为电浆)共振感测装置l包含一
光纤2、一贵金属奈米粒子层3以及一过滤薄层4。 上述的光纤2是一光纤式定域等离子体共振的光纤，该光纤的剥皮区域是一感测区域；上述的贵金属奈米粒子层3由金奈米粒子或银奈米粒子所组成，该贵金属奈米粒子层3固定在该光纤2上；上述的过滤薄层4是一多孔洞材料，且包覆该光纤2，其中还包含至少一导管5及一泵(pump)，该泵藉由该至少一导管5将该待测物质抽入或抽离该过滤薄层4。此方法能以高效率的方式达到质量传递的动作，导入或流出一待测物质。该待测物质是一生物分子或一化学分子，而此时的过滤薄层4就像是筛网一般，能将原本复杂的分析样品进行筛选与纯化，其中，过滤薄层4的多孔洞材料的孔径或性质是依照该待测物质的特性去做选择，并同时隔离一干扰源。其过滤薄层孔径密度可介于4X 104cm—2至20X 104cm—2 (每平方厘米的个数)，其厚度可介于50微米至IOO微米(ym)，其截流分子量(丽CO，molecularweight cut off)可小于或等于500KDa，其材料是聚砜(PS， polysulfone)、纤维素脂(CE， Cellulose Ester)、再生纤维素(RC， RegeneratedCellulose)、聚醚风(PES，polyether sylfone)以及聚芳香醚砜(PAES， polyarylethersulphone)。该干扰源是一血球、一细胞碎屑、免疫细胞、灰尘、纤维质、细菌、一局部蛋白质、一大分子、一具有沾粘性质或大颗粒的杂质。 请参阅图2所示，是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的第二实施例的示意图。本发明第二实施例的光纤式定域等离子体共振感测装置，包含一光纤2、一贵金属奈米粒子层3以及一过滤薄层4。上述的贵金属奈米粒子层3固定于该光纤2上，该过滤薄层4是一多孔洞材料，且包覆该光纤2，其中还包含第一导管51和第二导管52，其是置于该过滤薄层内4，第一导管51用以将待测物质导入，第二导管52用以将待测物质导出。该待测物质是一生物分子或一化学分子，而此时的过滤薄层就像是筛网一般，能将待测物质进行筛选，其中，过滤薄层4的多孔洞材料的孔径或性质是依照该待测物质的特性去做选择，并同时隔离一干扰源。此光纤式定域等离子体共振感测装置1可用在微透析技术上，其微透析技术主要是针对活体细胞外液的取样设计，类似人造血管功能，它可以减少实验时对细胞组织所造成的伤害，并且在生物检品的取样过程中不影响生物流体的体积，所以同时可用来处理活体(in vivo)或离体(in vitro)微量的样本。透过微透析管取样时，必须同时用到两条液体导管，负责透析液的导入与流出，此时内部产生的液体流动，则能使过滤基材外的样品更容易被带入到FO-LPR表面，而透析膜的存在，则可将局部蛋白质或其他大分子隔离在膜外，因此微透析技术所收集的液体相当干净，因此也就能减少大颗粒杂质的非特异性吸附的现象。FO-LPR实行于活体检测时，微透析技术的搭配可以是一个很好的选择。
请参阅图3A所示，是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的第三实施例的示意图。本发明第三实施例的光纤式定域等离子体共振感测装置，包含一光纤2、一贵金属奈米粒子层3以及一过滤薄层4。该贵金属奈米粒子层3固定在该光纤2上，该过滤薄层4是一多孔洞材料，且包覆该光纤2，而此时的过滤薄层4就像是筛网一般，能将待测物质进行筛选。因为过滤薄层4的存在，所以原样品中颗粒较大或是较复杂的物质将会被隔离在此薄层之外，使得里头的F0-LPR感测光纤2能处在较单纯的环境之中。除此之外，若是过滤薄层4的选择性质或是孔洞大小选择得当，它也能将光纤2本身的细菌或是碎屑与分析样品进行隔离，除了能避免分析样品的污染外，同时也能省去元件使用前必须进行消毒的困扰。由于F0-LPR光纤2本身因为已经被剥除掉一部分的光纤外壳(cladding)，因此变得容易碎裂；而过滤薄层4本身也会因为外在环境的压力或是重力的影响而产生形变，甚至覆盖在光纤感测区域的表面。因此可在过滤薄层4与F0-LPR光纤2间填入适当的表面开洞刚性材料6，以提供一 良好的物理支撑。例如一个表面有着数个直径约大于0. 5毫米(mm)小孔的中空钢针，就是一种非常适合的选择，但是开孔直径也不适宜大于5毫米，以避免钢针的支撑力不足。如图3B所示，为光纤式定域等离子体共振感测装置的反射式F0-LPR的构造图，其构造有如探针般，若同时使用尖状的钢针作为引导周的外鞘，便能轻易的将反射式LPR探针剌入到欲检测的特定区块。简单而言，尖状开孔的钢针有如引导器(guider)，不但提供了反射式光纤式定域等离子体共振(RF0-LPR)的光纤2与过滤薄层4良好的物理支撑外，同时也能将它们导引到特定的检测区块内。此外，若是感测元件整体的物理强度坚固无虞，那么开孔的形状也不一定要以圆形孔洞为主，也能以较大面积的方式，例如细长缝隙的方式做为开孔形状的设计，以提升分析样品质量交换的速度为主要目的。
请参阅图4A-图4G所示，是本发明的光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤的示意图。其FO-LPR的光纤部分，可以选用剥除整圈外壳的方式(如图4A)，或使用只剥除一部分外壳的构型(如图4B)，其剖面示意图如图4C所示。其中后者的设计，因为保留了部分光纤外壳，使得脆弱的光纤核心能受到多一点的物理支撑，因此有着较好的机械强度(例如D型光纤D-Fiber的设计就是属于后者)，因此若要开发更微细的光纤式定域等离子体共振感测装置时，使用图4B的设计将会是一个很好的选择。如图4D所示，为光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤末端镀上一个镜面的感测探针示意图，利用镀上一镜面7的方式，反射其光信号，将之浸入或剌入到特定区块，便能完成检测，因此更适合开发成医疗或是即时抽样检验的器材。如图4E所示，为光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤末端修饰贵金属奈米粒子层3的感测探针示意图，我们能将贵金属奈米粒子层3固定在光纤2末端，利用散射或反射光信号的强度来当作感测原理。由于此架构中光纤并未被剥除光纤外壳，所以会有着更好的机械强度。如图4F所示，为光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤末端核心11镂空，再填入多孔性材料8并修饰贵金属奈米粒子层3的感测探针示意图。其可使用蚀刻的方式将光纤2末段的核心11部分镂空，并保留一部分的光纤2外壳12，然后在这个空间中填入多孔隙的材料8，(例如溶胶凝胶(sol-gel)等材料)，最后再将贵金属奈米粒子层3固定在这些孔隙表面以完成此类探针的建构。首先是希望藉由材料多孔隙的性质，以增加分析样品在质量传递的速率，同时再藉由材料高表面积的优点，以增加贵金属奈米粒子的作用量，以达到更好的感测效果。如图4G所示，为光纤式定域等离子体共振感测装置的光纤末端修饰贵金属奈米粒子层3的感测探针示意图，利用化学或机械加工形成尖状(tapered)光纤，我们能将贵金属奈米粒子层3固定在光纤2末端，以利收集入射光与贵金属奈米粒子作用后产生的荧光或拉曼散射光，并在光纤入射端收集感测信号。
请参阅图5所示，是本发明的光纤式定域等离子体共振感测系统的第四实施例的示意图。本发明第四实施例的光纤式定域等离子体共振感测系统，包含一光纤式定域等离子体共振感测装置1、一光源9以及一侦测单元10，该光源9可为提供一光束入射该光纤式定域等离子体共振感测装置l，该侦测单元10接收该光纤式定域等离子体共振感测装置1的出射光以产生一侦测信号。其中光源是一激光束或一发光二极管(LED)，侦测单元为一光电二极管(photodiode)， FO-LPR探针式感测器虽然有着优异的感测能力，但是当它应用在真实样品的检测时，势必将遇到严重的非特异性吸附的干扰。这是因为真实样品的组成非常复杂，例如血球、细胞碎屑、纤维质等种种干扰源，皆有机会覆盖在LPR光纤2表面上，造成检测信号产生严重的偏移。有鉴于此，我们将探针式F0-LPR感测系统与微透析技术做结合，开孔钢针的角色是用做元件的物理支撑；微透析技术的应用，让此元件具有选择性的取样能力；最后搭配FO-LPR的快速、灵敏的感测能力，并能开发成体内即时检测用的医疗组件。由于此组合系统内有着液体导管，可以用来导入各种药剂，也能用来抽取元件内的样品。甚至在有必要的情况下，可以藉由各种试剂的导入，便能对FO-LPR感测器进行活化或是再生的动作。若藉由FO-LPR信号的判读，除了能立即得知病情相关的讯息外，随后更能注入适当剂量的治疗药物，以达到对症下药的功用。 请参阅图6所示，其是本发明的光纤式定域等离子体(或称为电浆)共振感测系统结合透析技术对折射率变化的感测。在此部分的实验中，我们在样品容槽中注入不同折射率的蔗糖水溶液，研究各个样品对LPR信号造成的影响。其中因为透析膜(丽cut-off:100KDa)的存在，使得分析物在质量传递上受到了限制，所以势必要提供一个方法以增加质量传的速率。此系统中所采用的是效果柔和，破坏性最小的加速取样的方式，也就是采用微透析方法所建立的感测系统，其整体构造图可用图2做说明。实验结果显示随着折射率渐渐增加时，LPR光波导信号就会慢慢降低，而这个信号缓降到平稳的过程，即是显现了样品正以柔和的方式在过滤薄层中进行质量的传递，系统需要约1000秒的时间才能达到平衡，光信号的图谱也呈现由陡峭变平缓的趋势。 请参阅图7A所示，是本发明的含干扰源PS球的水溶液样品经过滤薄层成澄清水溶液的示意图。其中干扰源为聚苯乙烯(Polystyrene, PS)塑胶球水溶液，PS塑胶球的表面带着负电荷，因此能以静电斥力的方式均匀分散在水溶液中。而PS球对LPR感测器的干扰
12主要有三第一，这些PS球的因为颗粒较大，所以静置时会有沉积的现象；第二， PS球本身 带有负电荷，会因静电力的作用而吸附在金奈米粒子上；第三，PS球溶液呈白色，因此会改 变光波导的能量分布。图7A中的上层液体即是浓度为2. 18X 109beads/mL的PS球水溶液 ll，但是经过孔径为200奈米的过滤薄膜4过滤后，其滤液12则呈现澄清的状态。图7B是 穿透式光纤式定域等离子体共振系统(TF0-LPR)对PS水溶液11与其滤液12的信号反应， TFO-LPR系统先是在纯水13中进行平衡，接着把图7A中的澄清的滤液12注入感测系统时， 能发现LPR信号并未产生变化；但是若直接将PS水溶液11注入系统内，则可以观察到急遽 的信号下降。这是因为白色的PS水溶液11首先会影响到光波导的渐逝波能量，直接造成 出光强度的改变，另外我们可以观察到LPR信号开始渐渐下降，这可能是因为PS球开始沉 积在金奈米粒子表面上所造成。最后我们利用纯水ll注入系统数次，希望将感测光纤表面 冲洗干净，但是我们可以发现LPR信号已经偏离其原本的平衡信号，间接证实金奈米粒子 表面上已经覆盖上一定程度的PS球。此项基本研究也显示，使用孔径为200奈米的过滤薄 膜，的确能将感测光纤与粒径为500奈米的PS球进行隔离，避免大颗粒干扰源对LPR信号 的影响。在此部分的实验中，我们以浓度为2. 18X108beads/mL的PS水溶液11做为溶剂 去配置各个不同折射率的样品，因此这些样品的外观都是呈现白色混浊。如图7C所示，为 光纤式定域等离子体共振系统对不同折射率但含干扰源PS球的水溶液样品进行感测的信 号时间关系图。本实验的目的是证实LPR感测器的确能在混浊的环境下进行检测。实验方 法是在样品容槽中注入不同折射率且混浊的蔗糖水溶液样品，然后分析光纤LPR感测系统 的出光强度与折射率变化的关系，结果可以发现当折射率增加时，LPR信号就会随之降低， 并大约在90秒后达成平衡，信号的图形变化也比较类似阶梯状的变化，显示使用抽取的方 式的确可以加速分析物在过滤膜内外的质量传递。 请参阅图8A所示，是本发明的光纤式定域等离子体共振感测系统在干扰源环境 下针对生化分子进行感测的信号时间关系图。为了验证LPR光纤搭配过滤薄膜所建立的感 测系统具有生化检测的能力，我们使用维生素H-链霉素(biotin-str印tavidin)的模型做 测试。实验的方法是利用在LPR光纤表面修饰上维生素H，试着检测经过滤薄膜筛选过后的 链霉素。实验中所使用的过滤薄膜是由孔径为200奈米的纤维素所构成，因此理论上分子 量只有60kDa的链霉素( 4奈米)应能非常顺利地进入到膜内，最后被光纤感测器所检 验到。图8B即是取各个平衡时的对信号对浓度对数进行数据分析的结果关系图，将链霉素 (str印tavidin)由低浓度往高浓度注入感测器时的光波导LPR信号，同样可以发现当分析 物浓度越来越高时，其信号就越降越低，而且LPR信号的图形也呈现类似单层吸附的图形， 其信号变化会从陡峭然后渐渐变得缓和，而这个过程大约需要IOOO秒的时间。各个平衡时 的相对信号对浓度对数进行数据分析的结果其R值为0. 9849。系统的杂讯为1. 7X 10—3，最 后我们能推算其侦测极限为1. 08X 10—8g/mL(l. 8X 10—1QM)。 请参阅图9所示，是本发明的光纤式定域等离子体共振感测系统对链霉素 (str印tavidin)与反维生素H(anti-biotin)的筛选与感测能力的信号时间关系图。这部 分的实验里我们先是在样品容槽中注入分子量为150kDa的反维生素H样品溶液，也预期在 过滤薄膜的作用下它不会影响到LPR信号的变化；接着我们再将分析样品置换成各个不同 浓度的链霉素溶液，由于它的分子量只有60kDa，因此也预期它会穿透过滤薄膜，并且会造 成LPR光波导信号的偏移。图9即是实验结果，其中编号1与编号2分别是浓度为1 X 10—7g/
13mL与1 X 10—6g/mL反维生素H的分析样品，结果显示过滤膜的存在的确能发挥其作用，所以 反维生素H不会造成LPR光波导信号的变化。然而以编号3到编号6的链霉素作为分析样品 时，则能看到金奈米表面的维生素H分子辨识到链霉素时所造成的信号下降了 。实验结果 证实，使用过滤薄膜(丽cut-off， 100kDa)的确可以将分子量较大的反维生素H(150KDa) 隔离在LPR感测光纤之外，而且也能容许分子量较小的链霉素(60KDa)穿透，最后也能利用 FO-LPR光纤感测之。 本发明着重于如何以快速、简单的方式在光纤式定域等离子体共振感测装置及其 系统进行检测前就完成样品前处理的动作，而且针对欲检测的分析物的性质的不同，能选 用不同选择能力的材料做为筛选用的薄层，以达到最大效益的感测结果。例如一般的过滤 膜，就能事先将大颗粒或是其它具有沾粘性质的杂质隔离在感测区域外，藉此，通过过滤薄 层筛选过后的样品将会变得相对地单纯，因此杂质干扰情形则会相对地减少许多，最后再 藉由光纤式定域等离子体共振感测装置及其系统本身就具有的选择能力，即能针对特定的 分析物进行侦测或检量。 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰 为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对 以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
1权利要求
一种光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其包含至少一光纤；一贵金属奈米粒子层，固定在该光纤上；以及一过滤薄层，是一多孔洞材料，且包覆该光纤；其中，该多孔洞材料的孔径或性质是依照一待测物质的特性去做选择并同时隔离一干扰源。
2. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置 光纤是一光纤式定域等离子体共振的光纤。
3. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置 光纤的剥壳区域为一感测区域。
4. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置 光纤选用一整圈剥除外壳的光纤或选用一部分剥除外壳的光纤。
5. 根据权利要求4所述的光纤式定域等离子体共振感测装置 部分剥除外壳的光纤为一 D形光纤。
6. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置 贵金属奈米粒子层与入射光作用后会产生荧光或拉曼散射光。
7. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置 贵金属奈米粒子层由金奈米粒子或银奈米粒子所组成。
8. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置 过滤薄层的孔径大小介于0. 2微米至20微米。
9. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置 过滤薄层的孔径密度介于4X 104cm—2至20X 104cm—2。
10. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中所述 的过滤薄层的厚度介于50微米至100微米。
11. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中所述 的过滤薄层的截流分子量小于或等于500KDa。
12. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中所述 的过滤薄层的材料为聚砜、纤维素脂(CE， CelluloseEster)、再生纤维素、聚醚风以及聚芳 香醚砜的其一或其组合。
13. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中所述 的过滤薄层与该光纤之间还包含一表面开洞刚性材料，以提供一物理支撑并引导该待测物 质至特定感测区域。
14. 根据权利要求13所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中所述 的表面开洞刚性材料的开洞形状为一圆形孔洞形状或一细长缝隙形状。
15. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中还包 含至少一导管，置于该过滤薄层内，该至少一导管用以导入或流出该待测物质。
16. 根据权利要求15所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中所述 的至少一导管将该待测物质抽入或抽离该过滤薄层。
17. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中所述 ，其特征在于其中所述的 ，其特征在于其中所述的 ，其特征在于其中所述的 ，其特征在于其中所述的 ，其特征在于其中所述的 ，其特征在于其中所述的 ，其特征在于其中所述的 ，其特征在于其中所述的的过滤薄层将该待测物质进行筛选与纯化。
18. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中所述 的干扰源为一血球、一细胞碎屑、免疫细胞、灰尘、纤维质、细菌、一局部蛋白质、一大分子、 一具有沾粘性质或大颗粒的杂质。
19. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中所述 的光纤的末端镀上一镜面，用以反射光信号。
20. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中所述 的贵金属奈米粒子层固定在该光纤末端，用以散射或反射光信号。
21. 根据权利要求1所述的光纤式定域等离子体共振感测装置，其特征在于其中所述 的光纤利用蚀刻方式将该光纤末端的核心镂空以形成一镂空部分，该镂空部分包含一多孔 性材料，并将该贵金属粒子固定在该多孔性材料上。
22. —种光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于包含 一光纤式定域等离子体共振感测装置，包含至少一光纤；一贵金属奈米粒子层，固定在该光纤上；及 一过滤薄层，是一多孔洞材料，且包覆该光纤；一光源，提供一光束入射该光纤式定域等离子体共振感测装置；以及一侦测单元，接收该光纤式定域等离子体共振感测装置的出射光以产生一侦测信号；其中，该多孔洞材料的孔径或性质依照一待测物质的特性去做选择并同时隔离一干扰源。
23. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统 的光纤为一光纤式定域等离子体共振的光纤。
24. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统 的光纤的剥壳区域为一感测区域。
25. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统 的光纤选用一整圈剥除外壳的光纤或选用一部分剥除外壳的光纤。
26. 根据权利要求25所述的光纤式定域等离子体共振感测系统 的部分剥除外壳的光纤为一 D形光纤。
27. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统 的贵金属奈米粒子层与入射光作用后会产生荧光或拉曼散射光。
28. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统 的贵金属奈米粒子层由金奈米粒子或银奈米粒子所组成。
29. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统 的过滤薄层的孔径大小介于0. 2微米至20微米。
30. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统 的过滤薄层的孔径密度介于4X 104cm—2至20X 104cm—2。
31. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统 的过滤薄层的厚度介于50至100微米。
32. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所述 ，其特征在于其中所述 ，其特征在于其中所述 ，其特征在于其中所述 ，其特征在于其中所述 ，其特征在于其中所述 ，其特征在于其中所述 ，其特征在于其中所述 ，其特征在于其中所述 ，其特征在于其中所述的过滤薄层的截流分子量小于或等于500KDa。
33. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所 述的过滤薄层的材料为聚砜、纤维素脂、再生纤维素、聚醚风以及聚芳香醚砜的其一或其组合。
34. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所述 的过滤薄层与该光纤之间还包含一表面开洞刚性材料，以提供物理支撑并引导该待测物质 至特定感测区域。
35. 根据权利要求34所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所述 的表面开洞刚性材料的开洞形状为一圆形孔洞形状或一细长缝隙形状。
36. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中还包 含至少一导管，置于该过滤薄层内，该至少一导管用以导入或流出该待测物质。
37. 根据权利要求36所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所述 的至少一导管将该待测物质抽入或抽离该过滤薄层。
38. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所述 的过滤薄层将该待测物质进行筛选与纯化。
39. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所述 的干扰源为一血球、一细胞碎屑、免疫细胞、灰尘、纤维质、细菌、一局部蛋白质、一大分子、 一具有沾粘性质或大颗粒的杂质。
40. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所述 的光纤的末端镀上一镜面，用以反射光信号。
41. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所述 的贵金属奈米粒子层固定在该光纤末端，用以散射或反射光信号。
42. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所述 的光纤利用蚀刻方式将该光纤末端的核心镂空以形成一镂空部分，该镂空部分包含一多孔 性材料，并将该贵金属粒子固定在该多孔性材料上。
43. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所述 的光源为一激光束或一发光二极管。
44. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中所述 的侦测单元为一光电二极管。
45. 根据权利要求22所述的光纤式定域等离子体共振感测系统，其特征在于其中还包 含至少一导管和一泵，该泵藉由该至少一导管将该待测物质抽入或抽离该过滤薄层。
全文摘要
本发明是有关一种光纤式定域等离子体共振感测装置及其系统。该光纤式定域等离子体共振感测系统包含一光源、一光纤式定域等离子体共振感测装置以及一侦测单元，该光源提供一光束入射该光纤式定域等离子体共振感测装置，该侦测单元接收该光纤式定域等离子体共振感测装置的出射光以产生一侦测信号。该光纤式定域等离子体共振感测装置包含一光纤、一贵金属奈米粒子层以及一过滤薄层，该过滤薄层为一多孔洞材料，其中该多孔洞材料的孔径或性质依照待测物质的特性去做选择并同时隔离一干扰源。
文档编号G01N21/65GK101788478SQ20091000529
公开日2010年7月28日 申请日期2009年1月24日 优先权日2009年1月24日
发明者吴玮特, 周礼君, 张维哲, 杨重熙 申请人:周礼君