非标定型感应芯片及鉴定化学物质的方法
【专利摘要】本发明提供一种非标定型感应芯片及鉴定化学物质的方法，该非标定型感应芯片包含：(a)一透明基板，其包含一基底及第一周期性凸槽；及(b)一金属层，其包覆前述透明基板，且包含第二周期性凸槽及第三周期性凸槽，其中前述第二周期性凸槽的高度等于或大于该第一周期性凸槽的高度，且该第二周期性凸槽的各凸槽与该第一周期性凸槽的各凸槽之间所形成的凹部结构互相嵌合，而前述第三周期性凸槽位于其所对应的第一周期性凸槽之上。本发明还提供一种使用前述非标定型感应芯片来鉴定化学物质的方法。本发明的非标定型感应芯片的金属层会形成腔体而产生菲诺共振，在未知化学物质的检测上具有高感应敏感度及解析度。
【专利说明】非标定型感应芯片及鉴定化学物质的方法
【技术领域】
[0001] 本发明关于一种非标定型感应芯片及鉴定化学物质的方法，特别是关于一种非标 定型感应芯片及使用非标定型感应芯片来鉴定化学物质的方法。
【背景技术】
[0002] 生物芯片（如DNA微阵列、芯片实验室（labonachip)、蛋白微阵列及碳水化合 物芯片）的研究与开发对许多重要研究领域都是有潜在价值的，包括医学诊断、药物研究、 环境监测、植物病原检测及食品安全在内。荧光标定及酵素比色法已广泛应用于微阵列。当 被标定的标的与微阵列上的探针相互作用，即可由芯片上各点的荧光强度或颜色来读取标 的与特定探针之间的生物亲和力。然而，这些标定技术有一些缺点，它们的价格高昂，标定 程序也相当复杂。
[0003] 为解决上述技术问题，可用于非标定型高敏感度检测的表面等离子体共振 (surfaceplasmonresonance,SPR)为非标定型生物芯片的开发提供了一个很好的方向。 这类感应技术已广泛应用于抗原-抗体结合亲和力的测量。一般的做法是在玻璃棱镜中使 用衰减全反射（attenuatedtotalreflection，ATR)，而于包覆在棱镜外的50nm厚的金薄 膜上激发表面等离子体波（surfaceplasmonwave,SPW)。当有生物分子吸附在金属表面 时，反射光信号会改变。目前已知ATR生物感应器对表面环境的变化非常敏感。然而，由于 本身光学构造的问题，它很难用于高通量及芯片式的检测方法，如DNA及蛋白微阵列。
[0004] 除了棱镜耦合方法外，也可用金属纳米结构来激发SPR。2004年时，有人利用周期 性金纳米孔洞阵列的优异穿透性质，提出了一种以芯片式SPR生物感应器（参图la)。此 外也有报告提出纳米狭缝式SPR感应器（参图lb)及纳米粒子式局域性表面等离子体共振 (localizedsurfaceplasmonresonance，LSPR)感应器。与棱镜式SPR感应器相较之下， 金纳米结构的优点是检测体积小、检测区域小，以及具有穿透模式或反射模式的简单光学 测量系统。他们提供了一种芯片式的高通量非标定型检测。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是开发一种利用菲诺共振（Fanoresonance)原理来鉴定化学物质 的非标定型感应芯片。菲诺共振提供了一种非对称的窄波段共振，其可增强SPR感应器的 感应敏感度，并有效改善化学物质（如生物分子）的感应解析度。
[0006] 本发明的另一目的是提供一种使用前述非标定型感应芯片来鉴定化学物质的方 法。
[0007] 因此，本发明提供了一种用以鉴定化学物质的非标定型感应芯片，其包含：一透明 基板，其包含一基底及第一周期性凸槽；及一金属层，其包覆前述透明基板，且包含第二周 期性凸槽及第三周期性凸槽，其中前述第二周期性凸槽的高度等于或大于该第一周期性凸 槽的高度，且该第二周期性凸槽的各凸槽与该第一周期性凸槽的各凸槽之间所形成的凹部 结构互相嵌合，而前述第三周期性凸槽位于其所对应的第一周期性凸槽之上。
[0008] 在本发明的较佳具体实施态样中，前述非标定型感应芯片进一步包含一包覆在前 述金属层上的分子层，且前述分子层包含一或多种可与前述化学物质结合的分子。
[0009] 在本发明的较佳具体实施态样中，前述化学物质包含元素、生物分子、聚合物及药 物；更佳者，前述生物分子包含蛋白、DNA及RNA。
[0010] 在本发明的较佳具体实施态样中，前述第三周期性凸槽的高度等于或小于该第二 周期性凸槽的高度；更佳者，前述第三周期性凸槽的高度等于该第二周期性凸槽的高度。
[0011] 在本发明的较佳具体实施态样中，前述第二周期性凸槽的高度为数十纳米至数百 纳米。
[0012] 在本发明的较佳具体实施态样中，前述第二周期性凸槽的周期长度P为数百纳米 至数微米；更佳者，前述第一周期性凸槽的各凸槽的宽度W为10nm至200nm。前述第一周 期性凸槽的长度并无特别限定，但一般大于1Um;较佳者，大于数微米。
[0013] 在本发明的较佳具体实施态样中，前述透明基板由玻璃或塑胶材料所制成；更佳 者，前述塑胶材料选自压克力、紫外线凝胶、聚碳酸酯或环烯烃聚合物；最佳者，前述塑胶材 料为聚碳酸酯。
[0014] 在本发明的较佳具体实施态样中，前述金属层由选自金、银、铝或铜的金属所制 成；更佳者，前述金属层材料为金。
[0015] 本发明提供一种鉴定化学物质的方法，其包含：
[0016] (a)提供一前述化学物质的样本；
[0017] (b)将前述样本加到如前文所述的非标定型感应芯片上，使之包覆该金属层；
[0018] (c)使一入射光从基板侧入射；
[0019] (d)检测该样本的穿透光谱，以鉴定该化学物质。
[0020] 在本发明的较佳具体实施态样中，步骤（b)的非标定型感应芯片进一步包含一包 覆在前述金属层上的分子层，且前述分子层包含一或多种可与前述化学物质结合的分子； 更佳者，该方法于前述步骤（b)之后进一步包含一步骤：使该一或多种分子与该化学物质 相互作用。
[0021] 在本发明的较佳具体实施态样中，前述样本的形式为液体或气体。
[0022] 在本发明的较佳具体实施态样中，前述要以该方法加以鉴定的化学物质包含生物 分子；更佳者，前述生物分子包含蛋白；又更佳者，前述蛋白溶解于PBS缓冲溶液。该化学物 质的浓度并无特别限定。
[0023] 在本发明的较佳具体实施态样中，前述入射光为偏极化的入射光；更佳者，前述入 射光为TM极化光；更佳者，该TM极化光的入射角为从0°至40°。在可测量的光谱范围 (400-1000nm)中，入射光的k向量与感应芯片的法向量所形成的角度为从0°至40°。入 射角范围会随着周期长度改变。最佳者，当使用周期长度为500nm的双层金属纳米凸槽时， TM极化光的入射角为从0°至40°。此外，TM极化光的E向量垂直于前述凸槽。
[0024] 在本发明的较佳具体实施态样中，前述入射光从实质垂直于该非标定型感应芯片 的方向入射到该基板。
[0025] 本发明提供了一种非标定型感应芯片及一种使用该非标定型感应芯片来鉴定化 学物质的方法。本发明的非标定型感应芯片的金属层会形成腔体而产生菲诺共振，在未知 化学物质的检测上具有高感应敏感度及解析度。
【专利附图】
【附图说明】
[0026] 图la及图lb显示了传统周期性纳米结构式表面等离子体共振感应器的结构示意 图：图la金属纳米孔洞阵列及图lb金属纳米狭缝阵列。
[0027] 图2aLSPR所产生的宽波段共振图谱；图2bBW-SPP所产生的窄波段共振图谱；图 2c宽波段共振及窄波段共振耦合后所产生的菲诺共振图谱；及图2d菲诺共振图谱因化学 物质吸附所产生的红移。
[0028] 图3显示本发明的非标定型感应芯片的剖面示意图。
[0029] 图4为本发明的非标定型感应芯片的制备流程示意图。
[0030] 图5a双层金属纳米凸槽的几何尺寸参数的结构示意图，并描绘了具有E向量及k 向量的TM极化入射光的方向；图5b以周期长度为500nm的双层金属纳米凸槽在空气及水 中以正向入射的TM极化光测得的穿透光谱；图5c具有多种周期（从500nm至650nm)的 双层金属纳米凸槽在水中以TM极化波所得出的穿透光谱；图5d菲诺共振的波长实测值及 BW-SPP的波长理论值，其为周期长度的函数。
[0031] 图6a使用多种水/甘油混合物时，周期长度为650nm的双层金属纳米凸槽以正向 入射的TM极化波所得出的强度光谱；图6b共振波峰波长对水/甘油混合物的折射率的图 表；图6c波长为874nm时正规化后的强度变化对水/甘油混合物的折射率的图表；图6d使 用在RIU值n为1. 3365的水/甘油混合物时，周期长度为650nm的双层金属纳米凸槽以正 向入射的TM极化波所得出的强度光谱放大图。
[0032] 图7a使用周期长度为600nm的双层金属纳米凸槽时，在不同表面条件下所得出的 强度光谱；图7b波长为810nm时正规化后的强度变化，其为蛋白-蛋白相互作用的时间的 函数。图中的插图为图谱的部分放大图。
【具体实施方式】
[0033] 本发明的非标定型感应芯片与传统使用金属纳米孔洞或纳米狭缝阵列的SPR感 应器、以及使用纳米粒子的LSPR感应器都不相同。本发明利用在本发明的双层金属纳米凸 槽中产生的菲诺共振，来加强SPR感应器的感应敏感度。如图2a_2d所示，宽波段共振及 窄波段共振耦合后会产生菲诺共振。它在共振波长附近有个极尖锐且非对称的共振波峰， 可加强SPR感应器的感应敏感度。菲诺共振的波段宽度较其他共振系统来得窄，当有化学 物质（特别是生物分子）吸附在结构表面上时，共振波峰就会发生红移。在特定波长的强 度变化与共振波峰的尖锐度有关，由于菲诺共振的波段宽度极尖极窄，故可提供更高的强 度敏感度AI。
[0034] 本发明提供了一种包含双层金属纳米凸槽的结构（即金属层），如图3所示。这 个结构包含三组纳米凸槽，第一周期性凸槽由与基板的透明基底相同的材质构成的透明凸 槽，宽度为w，高度为T1。其他两组凸槽（第二及第三周期性凸槽）则是由金属构成，其中 第二周期性凸槽与前述透明凸槽"咬合":亦即第二周期性凸槽的各凸槽与第一周期性凸槽 的各凸槽之间所形成的凹部结构互相嵌合。此外，第二周期性凸槽的高度T2与第三周期性 凸槽的高度T3相同，故在下列实施例中，T2等于T3。第三周期性凸槽位于其所对应的第一 周期性凸槽之上。第二周期性凸槽的周期长度以P表示。由于光可穿透透明材料，但无法 穿透金属，所以对入射光来说，前述两组金属凸槽形成了一系列的"腔体"，这些腔体实质上 就是前述透明凸槽。也就是说，入射光会被捕捉在这些腔体内。
[0035] 使用本发明的非标定型感应芯片来鉴定化学物质时，将一样本溶液加到双层金属 纳米凸槽表面上，该化学物质会吸附在金属层表面上。之后借由清洗步骤移除未结合的目 标化学物质。之后使一偏极化的入射光从垂直于基板的方向由基板侧入射时，会在前述腔 体I区中产生局域性表面等离子体共振（localizedsurfaceplasmonresonances，LSPR)。 此外，当情况符合Bragg条件（Braggconditions)时，在金属/样本溶液II区介面与金属 /基板III区介面会各别产生Bloch波表面等离子体极化子（Blochwavesurfaceplasmon polaritons，BW-SPP)。LSPR和BW-SPP分别会在穿透光谱中产生一宽波段的共振和一窄波 段的共振，它们会稱合形成菲诺共振（Fanoresonance)。
[0036]LSPR(即腔体共振）的共振条件可由Fabry-Perot腔体公式表示如下：
【权利要求】
1. 一种用以鉴定化学物质的非标定型感应芯片，其特征在于，包含： (a) -透明基板，其包含一基底及第一周期性凸槽；以及 (b) -金属层，其包覆所述透明基板，且包含第二周期性凸槽及第三周期性凸槽，其中 所述第二周期性凸槽的高度等于或大于该第一周期性凸槽的高度，且该第二周期性凸槽的 各凸槽与该第一周期性凸槽的各凸槽之间所形成的凹部结构互相嵌合，而所述第三周期性 凸槽位于其所对应的第一周期性凸槽之上。
2. 如权利要求1所述的非标定型感应芯片，其特征在于，进一步包含一包覆在所述金 属层上的分子层，且所述分子层包含一或多种可与所述化学物质结合的分子。
3. 如权利要求2所述的非标定型感应芯片，其特征在于，所述化学物质包含元素、生物 分子、聚合物及药物。
4. 如权利要求3所述的非标定型感应芯片，其特征在于，所述生物分子包含蛋白、DNA、 RNA。
5. 如权利要求1所述的非标定型感应芯片，其特征在于，所述第二周期性凸槽的高度 为数十纳米至数百纳米。
6. 如权利要求1所述的非标定型感应芯片，其特征在于，所述第二周期性凸槽的周期 长度为数百纳米至数微米。
7. 如权利要求6所述的非标定型感应芯片，其特征在于，所述第一周期性凸槽的各凸 槽的宽度为l〇nm至200nm。
8. 如权利要求1所述的非标定型感应芯片，其特征在于，所述透明基板由玻璃或塑胶 材料所制成。
9. 如权利要求8所述的非标定型感应芯片，其特征在于，所述塑胶材料选自压克力、紫 外线凝胶、聚碳酸酯或环烯烃聚合物。
10. 如权利要求1所述的非标定型感应芯片，其特征在于，所述金属层由选自金、银、铝 或铜的材料所制成。
11. 如权利要求10所述的非标定型感应芯片，其特征在于，所述金属层材料为金。
12. -种鉴定化学物质的方法，其特征在于，包含： (a) 提供一所述化学物质的样本； (b) 将所述样本溶液加到如权利要求1所述的非标定型感应芯片上，使之包覆该金属 层； (c) 使一入射光从基板侧入射； (d) 检测该样本的穿透光谱，以鉴定该化学物质。
13. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述非标定型感应芯片进一步包含一包 覆在所述金属层上的分子层，且所述分子层包含一或多种可与所述化学物质结合的分子。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，于所述步骤（b)之后进一步包含一步骤： 使该一或多种分子与该化学物质相互作用。
15. 如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述样本的形式为液体或气体。
16. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述化学物质包含生物分子。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述生物分子包含蛋白。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述蛋白溶解于PBS缓冲溶液。
19. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述入射光为偏极化的入射光。
20. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述入射光从实质垂直于该非标定型感 应芯片的方向入射到该基板。
【文档编号】G01N21/552GK104458657SQ201410471384
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】李光立, 魏培坤 申请人:中央研究院