非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)及其檢測的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于檢測化學(xué)物質(zhì)的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)及其檢測的方法，非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)包括：一非標(biāo)定型檢測晶片，其包含多組具有不同周期長度的周期性金屬結(jié)構(gòu)；以及一窄頻光源。本發(fā)明的檢測方法簡便快速、成本低廉，可直接用肉眼觀察，也可進(jìn)一步進(jìn)行定性與半定量的分析，非常適用于定點照護(hù)檢測。
【專利說明】非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)及其檢測的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明關(guān)于一種用于檢測化學(xué)物質(zhì)的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，以及使用前述非標(biāo)定型 檢測系統(tǒng)進(jìn)行非標(biāo)定型檢測的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 定點照護(hù)檢測（point-of-caretesting，POCT)指在患者接受照護(hù)的地點來進(jìn)行 醫(yī)療檢測，也稱為床邊檢測（bedsitetest)。目前普遍應(yīng)用于定點照護(hù)檢測的技術(shù)之一是 橫向側(cè)流免疫色譜分析（Lateral-flowimmunochromatographicassayorLateral-flow assay)，這種技術(shù)常用于一次性的定性檢測，其中最普遍的商業(yè)化產(chǎn)品是應(yīng)用于驗孕檢測， 每年生產(chǎn)驗孕試劑的數(shù)量高于IO7劑。如圖1所示，典型的橫向側(cè)流分析通過表面層的毛 細(xì)力來傳遞待測樣品，從放置區(qū)（sampleapplicationpad)經(jīng)標(biāo)定物結(jié)合區(qū)（conjugate releasepad)至檢測區(qū)（detectionzone)進(jìn)行檢測辨識，最后抵達(dá)吸水區(qū)（absorbent pad)。當(dāng)待測樣品（例如一特定抗體）流經(jīng)標(biāo)定物結(jié)合區(qū)時，會與修飾有標(biāo)定物的抗原結(jié) 合，而常被使用的標(biāo)定物為具有顏色或熒光的納米小球，如膠體金球、量子點、酵素標(biāo)記、塑 膠小球等，且標(biāo)定物大小約在15至800nm。而在檢測區(qū)，不同的特定抗體事先被修飾在檢測 線區(qū)（Tline)與控制線區(qū)（Cline)，當(dāng)待測樣品流經(jīng)此二區(qū)，樣品內(nèi)已結(jié)合標(biāo)定物抗原的 抗體將與檢測區(qū)上的抗體結(jié)合，因標(biāo)定物的聚集形成一條線，而控制線區(qū)上的抗體將與樣 品中的標(biāo)定物抗原結(jié)合形成另一條線，所以陽性的檢測為兩條線。反之，當(dāng)檢測樣品內(nèi)無特 定抗體時，則只會在控制線區(qū)形成一條線。因此，橫向側(cè)流分析通過雙線或單線的觀察來進(jìn) 行樣品定性的分析。此外，也可以通過具有電荷親合元件（charge-coupleddevice，CCD) 的相機(jī)或平板掃描器及專用軟體分析檢測線的顏色深淺，以判定待測樣品的濃度，進(jìn)行樣 品定量分析。
[0003] 另外，Yanik等人利用周期性納米金屬孔洞結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生菲諾共振（Fano resonance)的特性，發(fā)展出一種可直接憑借肉眼觀察來判定單層生物分子的技術(shù)。所謂菲 諾共振是由一寬波段的共振與一窄波段的共振系統(tǒng)互相干涉產(chǎn)生的耦合共振現(xiàn)象，其共振 波段比一般的共振系統(tǒng)更窄，可提供更高的強度檢測靈敏度。Yanik等人使用一白光光源、 窄頻濾光片及納米金屬孔洞結(jié)構(gòu)晶片來進(jìn)行檢測，在待測樣本（如含有抗原的溶液）與晶 片上的檢測物質(zhì)（如抗體）結(jié)合后，可直接觀測吸附分子造成孔洞結(jié)構(gòu)在特定波長的穿透 強度變化，如圖2所示。此一簡易的非標(biāo)定檢測方法通過測量特定波長的穿透強度變化來 進(jìn)行定點照護(hù)診斷。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)及其檢測的方法，其中，非標(biāo)定檢測晶片由數(shù) 個不同周期的金屬結(jié)構(gòu)陣列組成，在窄頻光源入射后，每個陣列會產(chǎn)生不同共振波長，且這 些共振波長的范圍涵蓋前述窄頻光源的波長，之后利用量測晶片上穿透光譜影像的光譜位 移量來進(jìn)行檢測。其結(jié)果可直接以肉眼判斷，也可通過影像感測器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，具有 定性與定量的效果。與先前技術(shù)相較之下，現(xiàn)有的強度量測法的動態(tài)檢測范圍（dynamic range)由共振波峰的頻寬寬窄決定，但本發(fā)明的光譜影像量測法的動態(tài)檢測范圍可以通過 改變金屬結(jié)構(gòu)陣列的周期范圍來調(diào)變，故其動態(tài)檢測范圍較大。此外，強度檢測易受燈源穩(wěn) 定度的影響，而本發(fā)明的檢測方法觀測光譜影像變化，可免除燈源不穩(wěn)的干擾。
[0005] 本發(fā)明的一目的是提供一種能以肉眼直接觀測的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其可用于檢 測化學(xué)物質(zhì)。
[0006] 本發(fā)明的又一目的是提供一種使用如前文所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)進(jìn)行非標(biāo)定 型檢測的方法。
[0007] 為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種用于檢測化學(xué)物質(zhì)的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其包括： 一非標(biāo)定型檢測晶片，其包含多組具有不同周期長度的周期性金屬結(jié)構(gòu)；以及一窄頻光源。
[0008] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述周期性金屬結(jié)構(gòu)選自單層或多層周期性金 屬孔狀結(jié)構(gòu)、或單層或多層周期性金屬狹縫結(jié)構(gòu)。
[0009] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述周期性金屬孔狀結(jié)構(gòu)為圓形或多邊形的孔 狀結(jié)構(gòu)；較佳者，前述多邊形的孔狀結(jié)構(gòu)為方形、三角形或長方形。
[0010] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述周期性金屬狹縫結(jié)構(gòu)包括：(a) -透明基 板，其包含多組第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)（firstperiodicridges)，且各組第一周期性凸槽 結(jié)構(gòu)具有不同的周期長度；以及（b) -金屬層，其包覆前述透明基板，且包括對應(yīng)前述多 組第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)的多組第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)（secondperiodicridges)及多組 第三周期性凸槽結(jié)構(gòu)（thirdperiodicridges)，其中該第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)的各凸槽與 其所對應(yīng)的第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)的各凸槽之間所形成的凹部結(jié)構(gòu)互相嵌合，而該第三周 期性凸槽結(jié)構(gòu)位于其所對應(yīng)的第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)之上。該第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)的高度 (T2)大于或等于其所對應(yīng)的第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)的高度（Tl) (T2多Tl);或者，當(dāng)該第二 周期性凸槽結(jié)構(gòu)的高度小于其所對應(yīng)的第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)的高度時，則其差值須小于 100nm(0 彡（T1-T2)彡IOOnm) 〇
[0011] 前述非標(biāo)定型檢測晶片中的第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)及第三周期性凸槽結(jié)構(gòu)均為金 屬狹縫，兩者結(jié)合后形成一雙層納米金屬光柵結(jié)構(gòu)，當(dāng)偏極光入射時，會產(chǎn)生菲諾共振?？?改變金屬凸槽結(jié)構(gòu)的周期來調(diào)變其共振波長，其所產(chǎn)生的共振波長范圍須涵蓋入射的窄頻 光源的波長。
[0012] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述非標(biāo)定型檢測晶片進(jìn)一步包含一分子層， 該分子層包覆在前述金屬層上，且包含一或多種可與前述化學(xué)物質(zhì)結(jié)合的分子；更佳者，前 述化學(xué)物質(zhì)包含元素、生物分子、聚合物或藥物；又更佳者，前述生物分子包含蛋白、DNA或 RNA0
[0013] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述第二周期凸槽結(jié)構(gòu)的高度為數(shù)十至數(shù)百納 米，狹縫寬度為十至兩百納米。
[0014] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述第二周期凸槽結(jié)構(gòu)的周期長度為數(shù)百納米 至數(shù)微米；更佳者，前述第二周期凸槽結(jié)構(gòu)的周期長度為380nm至780nm。金屬結(jié)構(gòu)周期的 選擇由窄頻光源的波長決定，在使用波長為532nm、632nm及650nm的激光、或使用LED搭配 632nm窄頻濾光片所產(chǎn)生的窄頻光源時，較佳為選擇380nm至780nm作為第二周期凸槽結(jié)構(gòu) 的周期長度。前述LED可為白光或紅光LED，在使用紅光LED燈搭配632nm窄頻濾光片時， 可消除影像中的藍(lán)色背景光。
[0015] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述透明基板由玻璃或塑膠材料所制成；更佳 者，前述塑膠材料選自壓克力、紫外線凝膠、聚碳酸酯、或環(huán)烯烴聚合物。
[0016] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述金屬層由選自金、銀、鋁或銅的材料所制 成；更佳者，前述金屬層為銀。
[0017] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述光源為窄頻光源，其可使用激光、或使用白 光搭配激光線窄頻濾光片所形成的窄頻光源；更佳者，為單一波長的偏極入射光。
[0018] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述非標(biāo)定型檢測晶片的周期性金屬結(jié)構(gòu)所產(chǎn) 生的共振波長范圍涵蓋前述窄頻光源的波長。
[0019] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)進(jìn)一步包含一影像感測 器；更佳者，前述影像感測器包含電荷耦合元件（CCD元件）。
[0020] 本發(fā)明另外提供一種使用如前文所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)進(jìn)行非標(biāo)定型檢測的 方法，其包括下列步驟：
[0021] (a)提供一樣本；
[0022] (b)將該樣本置于前述非標(biāo)定型檢測晶片上，使之覆蓋晶片表面；
[0023] (C)使光源從前述非標(biāo)定型檢測晶片的透明基板方向正向入射，通過前述多組具 有不同周期長度的周期性凸槽結(jié)構(gòu)后分別產(chǎn)生穿透光影像，并組合形成一光譜影像；以及
[0024] (d)觀測前述光譜影像，以判定該樣本中是否含有前述化學(xué)物質(zhì)。
[0025] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述方法所使用的非標(biāo)定型檢測晶片包括：(a) 一透明基板，其包含多組第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)，且各組第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)具有不同的周 期長度；以及（b) -金屬層，其包覆前述透明基板，且包括對應(yīng)前述多組第一周期性凸槽結(jié) 構(gòu)的多組第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)及多組第三周期性凸槽結(jié)構(gòu)，其中該第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)的 各凸槽與其所對應(yīng)的第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)的各凸槽之間所形成的凹部結(jié)構(gòu)互相嵌合，而該 第三周期性凸槽結(jié)構(gòu)位于其所對應(yīng)的第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)之上。此外，前述樣本覆蓋該金 屬層。該第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)的高度（T2)大于或等于其所對應(yīng)的第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)的 高度（Tl) (T2多Tl);或者，當(dāng)該第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)的高度小于其所對應(yīng)的第一周期性凸 槽結(jié)構(gòu)的高度時，則其差值須小于IOOnm(0彡（T1-T2)彡IOOnm)。
[0026] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述方法所使用的非標(biāo)定型檢測晶片進(jìn)一步包 含一分子層，該分子層包覆在該金屬層上，且包含一或多種可與前述化學(xué)物質(zhì)結(jié)合的分子； 更佳者，前述化學(xué)物質(zhì)包含元素、生物分子、聚合物或藥物；又更佳者，前述生物分子包含蛋 白、DNA或RNA。
[0027] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述方法中的步驟（b)和（c)之間進(jìn)一步包含 一清洗步驟。
[0028] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述方法所使用的光源為窄頻光源，其可使用 激光、或使用白光搭配激光線窄頻濾光片所形成的窄頻光源；更佳者，為單一波長的偏極入 射光。
[0029] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述方法所使用的非標(biāo)定型檢測晶片的周期性 金屬結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的共振波長范圍涵蓋前述窄頻光源的波長。
[0030] 在本發(fā)明的較佳具體實施態(tài)樣中，前述方法所使用的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)進(jìn)一步包 含一影像感測器；更佳者，前述影像感測器包含電荷耦合元件。
[0031] 本發(fā)明利用化學(xué)物質(zhì)與檢測晶片的周期性金屬結(jié)構(gòu)表面結(jié)合后，會使共振波長產(chǎn) 生紅移的特性，而使用多組具有不同周期長度的周期性金屬光柵來觀察穿透光譜影像的紅 移現(xiàn)象。這樣的檢測方法簡便快速、成本低廉，可直接用肉眼觀察，也可進(jìn)一步進(jìn)行定性與 半定量的分析，非常適用于定點照護(hù)檢測。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032] 圖1顯示現(xiàn)有橫向側(cè)流免疫色譜分析檢測技術(shù)的原理示意圖。
[0033] 圖2顯示現(xiàn)有利用高品質(zhì)納米孔洞結(jié)構(gòu)的等離子菲諾共振特性來檢測生物分子 的方法。
[0034] 圖3a-圖3c顯示本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)與檢測方法，其中：
[0035] 圖3a為系統(tǒng)示意圖；
[0036] 圖3b為晶片的穿透光譜影像與晶片光譜曲線圖；
[0037] 圖3c顯示在不同表面條件下，晶片上不同周期長度的周期性凸槽的共振波長與 激光波長的相對位置示意圖。
[0038] 圖4顯示本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測晶片的制造流程示意圖。
[0039] 圖5顯示本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測晶片上的周期性納米凸槽示意圖。
[0040] 圖6為本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)中的激光源與影像感測器示意圖。
[0041]圖7a_圖7b顯示本發(fā)明非標(biāo)定型檢測晶片上具有不同周期長度的周期性凸槽結(jié) 構(gòu)在空氣環(huán)境下的菲諾共振圖譜，其中：
[0042] 圖7a使用白光的TM極化波正向入射后，由光纖耦合線性CCD陣列光譜儀所得的 穿透光譜圖，其上的插圖則為使用波長532nm綠光激光正向照射后所得的穿透光譜影像；
[0043] 圖7b為本發(fā)明的雙層納米金屬光柵結(jié)構(gòu)（即周期性凸槽結(jié)構(gòu)）的周期長度與共 振波長的實驗值與理論計算值的關(guān)系圖。
[0044] 圖8a_圖8d顯示本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)在二氧化硅厚度檢測的方法與結(jié)果， 其中：
[0045] 圖8a為使用本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測晶片檢測不同二氧化硅薄層厚度的方法示意 圖；
[0046] 圖8b為本發(fā)明非標(biāo)定型檢測晶片上具有不同周期長度的周期性凸槽結(jié)構(gòu)在不同 二氧化硅薄膜厚度下的穿透光譜影像；
[0047] 圖8c為本發(fā)明非標(biāo)定型檢測晶片上具有不同周期長度的周期性凸槽結(jié)構(gòu)在不同 二氧化硅薄膜厚度下的穿透光強度與結(jié)構(gòu)周期關(guān)系圖；
[0048] 圖8d為光譜積分信號與二氧化硅薄膜厚度的對應(yīng)曲線。
[0049] 圖9a_圖9c顯示本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)在生物分子檢測的方法與結(jié)果，其 中：
[0050] 圖9a為使用本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測晶片檢測抗原與抗體的方法示意圖；
[0051] 圖9b為本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測晶片在空氣、500yg/mLBSA及375yg/mL抗BSA 抗體環(huán)境下的穿透光譜影像；
[0052] 圖9c為圖9b的影像虛線區(qū)域中的穿透光強度分布圖。
[0053] 圖IOa-圖IOc顯示以智能手機(jī)記錄晶片光譜影像的方法與結(jié)果，其中：
[0054] 圖IOa為本發(fā)明實施例五所使用的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)示意圖；
[0055] 圖IOb為本發(fā)明實施例五所使用的非標(biāo)定型檢測晶片示意圖；
[0056] 圖IOc為以智能手機(jī)擷取的光譜影像。
[0057] 圖Ila-圖Ilc顯示以穿透式掃描器記錄晶片光譜影像的方法與結(jié)果，其中：
[0058]圖Ila為本發(fā)明實施例六所使用的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)示意圖，其使用了穿透式掃 描器及一激光線窄頻濾光片；
[0059] 圖Ilb為本發(fā)明實施例六所使用的非標(biāo)定型檢測晶片示意圖；
[0060] 圖Ilc以穿透式掃描器擷取的光譜影像。

【具體實施方式】
[0061] 圖3a是本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)的一具體實施例的示意圖，其由一檢測晶片、 一光源及一影像感測器所組成。本發(fā)明所使用的檢測晶片是一種等離子晶片，其上包含多 組具有不同周期長度的周期性金屬光柵。當(dāng)待測樣本（如含有抗原的溶液）覆蓋于晶片、或 與晶片上可與特定化學(xué)物質(zhì)（如抗原）結(jié)合的檢測分子（如抗體）反應(yīng)后，樣本中的特定 化學(xué)物質(zhì)會與檢測分子結(jié)合。當(dāng)單一波長的激光（532nm)通過線偏極板，從晶片下方正向 入射時，入射光波會使不同周期長度的周期性金屬光柵產(chǎn)生不同的菲諾共振波長，這些菲 諾共振波長的分布范圍與入射光的波長位置有所重疊，故會在不同的金屬結(jié)構(gòu)陣列產(chǎn)生不 同的穿透強度，而在晶片上形成穿透光譜影像。可通過CCD元件記錄晶片上的穿透光譜影 像，如圖3b所示。晶片表面原本只有抗體存在，當(dāng)有抗原吸附在抗體上時，會使各個周期性 金屬光柵的菲諾共振波長產(chǎn)生紅移，而影響入射光（532nm)的穿透強度，如圖3c所示。此 夕卜，晶片上由不同周期長度（510nm至525nm)的周期性金屬光柵所構(gòu)成的穿透光譜影像也 會產(chǎn)生紅移，如圖3b所示。利用這個方法，除通過C⑶元件記錄影像外，也可直接用肉眼觀 測晶片上的穿透光譜影像，或利用智能手機(jī)的照相功能（如圖IOa-圖IOc)、穿透式掃描器 (如圖Ila-圖lie)或其他類似的影像記錄器來記錄晶片光譜影像，并可利用影像分析軟體 來進(jìn)行精確的定量分析。
[0062] 以下提供的實施例僅進(jìn)一步闡明本發(fā)明，而非以任何方式限制本文所揭露的內(nèi) 容?？v無進(jìn)一步的闡述，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可根據(jù)此處的說明而充分實施本發(fā)明。
[0063] 實施例：
[0064] 實施例一，本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測晶片的制備與系統(tǒng)架設(shè)。
[0065] 可采用多種方式來制備非標(biāo)定型檢測晶片。在本實施例中，采取納米熱壓印法來 制備本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測晶片。此方法的示意圖見于圖4。也可使用其他方式來制備，如 熱退火輔助基板剝離法。
[0066] 首先提供一娃基板，使用電子束微影術(shù)（e-beamlithography，EBL)與反應(yīng)式離子 刻蝕術(shù)（reactiveionetching，RIE)在該娃基板上制作出多組具有不同周期的周期性納 米凹槽結(jié)構(gòu)，作為母模。接著依序?qū)h(huán)稀徑聚合物（cyclicolefinpolymer，COP)塑膠基 板及PET(polyethyleneterephthalate)塑膠密封膜覆蓋在娃母膜上，放入一壓印腔體內(nèi)， 加熱腔體基板至170°C，使覆蓋于母膜上的塑膠軟化。待塑膠軟化后，導(dǎo)入氮氣于壓印腔體 內(nèi)，產(chǎn)生20kgw/cm2的壓力于塑膠上，使母膜上的周期性納米凹槽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到COP塑膠基 板上，形成第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)。待硅基板溫度降至室溫后，再將COP塑膠基板與硅母膜及PET塑膠密封膜分離。最后利用電子槍蒸鍍設(shè)備或濺鍍設(shè)備在具有周期性納米凸槽結(jié)構(gòu)的 COP塑膠基板上蒸鍍（或濺鍍）75nm厚的銀膜，即完成本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測晶片的制備。 前述銀膜由第二及第三周期性凸槽結(jié)構(gòu)所組成的周期性金屬光柵。
[0067] 在以下實施例中，使用了三種不同的晶片。其中實施例二至四所使用的非標(biāo)定型 檢測晶片上共有四組具有不同周期的周期性金屬結(jié)構(gòu)陣列，其面積分別為150ym2,陣列間 距300ym，金屬結(jié)構(gòu)的周期（P)為510nm至525nm，周期間距為5nm，狹縫寬度（W)為60nm。 實施例五所使用的晶片上共有i^一個陣列結(jié)構(gòu)，其面積分別為150ym2,陣列間距5ym，其 周期為615nm至665nm，周期間距為5nm，狹縫寬度為60nm。實施例六所使用的晶片上共有 十個陣列結(jié)構(gòu)，其面積分別為150ym2,陣列間距5ym，其周期為440nm至485nm，周期間距 為5nm，狹縫寬度為60nm。
[0068] 本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測晶片上的周期性納米凸槽示意圖如圖5所示。
[0069] 圖6為本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)中的激光源與影像感測器示意圖。在下列 實施例中，使用一波長532nm的激光當(dāng)作光源。使激光通過一毛玻璃以破壞激光的同調(diào) 性，再經(jīng)過一透鏡進(jìn)行擴(kuò)束（beamexpansion)，接著利用一反射鏡使激光通過一線偏極 板，使入射光的極化方向垂直于本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測晶片的第三周期性凸槽結(jié)構(gòu)的狹 縫方向（TMMode)，并照射在晶片上，其穿透光會由另一透鏡收光，并由一電荷耦合元件 (charge-coupleddevice,CCD)記錄晶片的穿透光譜影像。除了利用CCD記錄影像，晶片上 的穿透光譜影像也可以直接由肉眼觀測，不需額外的量測設(shè)備。
[0070] 實施例二，本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)的周期與波長計算。
[0071] 本發(fā)明的檢測晶片中的第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)及第三周期性凸槽結(jié)構(gòu)均為金屬狹 縫，兩者結(jié)合后形成一雙層納米金屬光柵結(jié)構(gòu)（即，金屬層），如圖5所示。本發(fā)明的檢測 晶片包含多組具有不同周期長度的周期性凸槽結(jié)構(gòu)，每組周期性凸槽結(jié)構(gòu)各自包含三個納 米凸槽結(jié)構(gòu)，其中第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)是由透明基板的基底相同的材質(zhì)構(gòu)成的透明凸槽結(jié) 構(gòu)，寬度為w，高度為T1。其他兩個周期性凸槽結(jié)構(gòu)（第二及第三周期性凸槽結(jié)構(gòu)）則是由 金屬構(gòu)成，其中第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)與前述透明凸槽結(jié)構(gòu)"咬合"：也即第二周期性凸槽結(jié) 構(gòu)中的的各凸槽與其所對應(yīng)的第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)的各凸槽之間所形成的凹部結(jié)構(gòu)互相 嵌合。此外，第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)的高度（T2)與第三周期性凸槽結(jié)構(gòu)的高度（T3)相同。第 三周期性凸槽結(jié)構(gòu)位于其所對應(yīng)的第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)之上。第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)的周期 長度以P表示。由于光可穿透透明材料，但無法穿透金屬。對入射光來說，前述兩組金屬凸 槽結(jié)構(gòu)形成了一系列的"腔體"，它們實質(zhì)上就是前述透明凸槽結(jié)構(gòu)。也就是說，入射光會被 捕捉在這些腔體內(nèi)。
[0072] 使用本發(fā)明的非標(biāo)定型檢測晶片時，將樣本加到雙層納米金屬光柵上，使目標(biāo)化 學(xué)物質(zhì)吸附于晶片表面，之后通過清洗步驟移除未結(jié)合的目標(biāo)化學(xué)物質(zhì)。之后使一偏極化 的入射光從垂直于晶片方向由下層基板側(cè)入射時，入射光會在前述腔體（I區(qū)）中產(chǎn)生局域 性等離子共振（localizedsurfaceplasmonresonances，LSPR)。此外，當(dāng)情況符合Bragg 條件（Braggconditions)時，在金屬/樣本（II區(qū)）與金屬/基板（III區(qū)）界面會分別 產(chǎn)生Bloch波表面等離子體極化子（Blochwavesurfaceplasmonpolaritons，BW_SPP)。 LSPR和BW-SPP分別會在穿透光譜中產(chǎn)生一寬波段的共振和一窄波段的共振，它們會耦合 形成菲諾共振（Fanoresonance) 〇
[0073] LSPR(即腔體共振）的共振條件可由Fabry-Perot腔體公式表示如下：
[0074] 2neffk〇h+ (J)^(J)2= 2mJi(I)
[0075] 其中nrff是局域性等離子在前述腔體中的等效折射率，Ic tl是真空中的波向量，h是 狹縫深度（即Tl)，巾1及￠2是上下界面的相位移。
[0076] 至于BW-SPP，當(dāng)入射光正向入射時，一維周期性狹縫金屬表層的表面等離子共振 條件（X。=XSPK)可以由下式表示：

【權(quán)利要求】
1. 一種用于檢測化學(xué)物質(zhì)的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，該非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)包 括： 一非標(biāo)定型檢測晶片，其包含多組具有不同周期長度的周期性金屬結(jié)構(gòu)；以及一窄頻 光源。
2. 如權(quán)利要求1所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述周期性金屬結(jié)構(gòu)選自單 層或多層周期性金屬孔狀結(jié)構(gòu)、或單層或多層周期性金屬狹縫結(jié)構(gòu)。
3. 如權(quán)利要求2所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述周期性金屬孔狀結(jié)構(gòu)為 圓形或多邊形的孔狀結(jié)構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求2所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述周期性金屬狹縫結(jié)構(gòu)包 括： (a) -透明基板，其包含多組第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)，且各組第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)具有不 同的周期長度；以及 (b) -金屬層，其包覆所述透明基板，且包括對應(yīng)所述多組第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)的多組 第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)及多組第三周期性凸槽結(jié)構(gòu)，其中該第二周期性凸槽結(jié)構(gòu)的各凸槽與 其所對應(yīng)的第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)的各凸槽之間所形成的凹部結(jié)構(gòu)互相嵌合，而該第三周期 性凸槽結(jié)構(gòu)位于其所對應(yīng)的第一周期性凸槽結(jié)構(gòu)之上。
5. 如權(quán)利要求4所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述非標(biāo)定型檢測晶片進(jìn)一 步包含一分子層，該分子層包覆在所述金屬層上，且包含一或多種可與所述化學(xué)物質(zhì)結(jié)合 的分子。
6. 如權(quán)利要求5所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述化學(xué)物質(zhì)包含元素、生物 分子、聚合物或藥物。
7. 如權(quán)利要求6所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述生物分子包含蛋白、DNA 或RNA〇
8. 如權(quán)利要求4所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述第二周期凸槽結(jié)構(gòu)的高 度為數(shù)十至數(shù)百納米。
9. 如權(quán)利要求4所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述第二周期凸槽結(jié)構(gòu)的周 期長度為數(shù)百納米至數(shù)微米。
10. 如權(quán)利要求4所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述透明基板由玻璃或塑膠 材料所制成。
11. 如權(quán)利要求4所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述金屬層由選自金、銀、鋁 或銅的材料所制成。
12. 如權(quán)利要求1所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述光源為窄頻光源。
13. 如權(quán)利要求12所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述非標(biāo)定型檢測晶片的 周期性金屬結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的共振波長范圍涵蓋所述窄頻光源的波長。
14. 如權(quán)利要求1所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，其特征在于，該非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)進(jìn)一步 包含一影像感測器。
15. -種使用如權(quán)利要求1所述的非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)進(jìn)行非標(biāo)定型檢測的方法，其特 征在于，該非標(biāo)定型檢測的方法包括下列步驟： (a)提供一樣本； (b)將該樣本置于所述非標(biāo)定型檢測晶片上，使之覆蓋晶片表面； (C)使光源從所述非標(biāo)定型檢測晶片的透明基板方向正向入射，通過所述多組具有不 同周期長度的周期性凸槽結(jié)構(gòu)后分別產(chǎn)生穿透光影像，并組合形成一光譜影像；以及 (d)觀測所述光譜影像，以判定該樣本中是否含有所述化學(xué)物質(zhì)。
16. 如權(quán)利要求15所述的非標(biāo)定型檢測的方法，其特征在于，使用如權(quán)利要求3所述的 非標(biāo)定型檢測系統(tǒng)，且所述樣本覆蓋該金屬層。
17. 如權(quán)利要求16所述的非標(biāo)定型檢測的方法，其特征在于，所述非標(biāo)定型檢測晶片 進(jìn)一步包含一分子層，該分子層包覆在該金屬層上，且包含一或多種可與所述化學(xué)物質(zhì)結(jié) 合的分子。
18. 如權(quán)利要求17所述的非標(biāo)定型檢測的方法，其特征在于，所述化學(xué)物質(zhì)包含元素、 生物分子、聚合物或藥物。
19. 如權(quán)利要求15所述的非標(biāo)定型檢測的方法，其特征在于，所述步驟（b)和（c)之間 進(jìn)一步包含一清洗步驟。
20. 如權(quán)利要求15所述的非標(biāo)定型檢測的方法，其特征在于，所述光源為窄頻光源。
21. 如權(quán)利要求15所述的非標(biāo)定型檢測的方法，其特征在于，所述非標(biāo)定型檢測系統(tǒng) 進(jìn)一步包含一影像感測器。
【文檔編號】G01N21/552GK104515740SQ201410474295
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】李光立, 魏培坤 申請人:中央研究院