長週期光纖光柵生物感測器電漿表面改質之研究 中華大學重點教學與研究計畫 長週期光纖光柵生物感測器電漿表面改質之研究 計畫主持人: 簡錫新

生物感測器之原理 利用固定化的生物分子結合能量轉換器，來偵測生物體內外之環境化學物質經過特異性交互作用後所產生的回應之一種生物電子裝置。 生物感測受體 無特別的辨識 目標物貼附 能量轉換器 無訊號 生物感測器將對21世紀人類醫療、食品、環境檢測、新藥開發等扮演關鍵的角色。目前由於高靈敏度生物感測器的價格仍十分昂貴，在市場上並不普及；近年來在光通訊產業的帶動下，相關的光纖感測技術已日趨成熟，使其在生醫感測的應用備受重視。以下將就生化感測器之原理、光纖表面改質及相關之研究成果做簡單說明。下圖是生物感測器的示意圖,在一表面上固定生物分子並結合能量轉換器,當待測目標物與所固定之生物分子產生作用時即可透過能量轉換器而產生訊號;若沒有貼附時則沒有訊號

光纖感測器之優點： – 環境溫度的選擇性高。 – 質量輕，攜帶方便。 – 檢測距離長。 – 耐腐蝕。 – 安全性高。 – 低功率消耗。 – 多樣性。 – 多重感測功能。 – 價格便宜。 光纖質量輕,攜帶方便且長度可以很長,故適合應用在光纖感測器上,此外藉由光纖材料的選擇及表面的設計,具有環境溫度的選擇性高,耐腐蝕性佳,安全性高,低損失,多樣性及多重感測功能等優點…等等,…當然,以光纖作為感測器,價格也比較便宜.. http://www.lunainnovations.com/ Luna Innovations Incorporated 2851 Commerce St. Blacksburg, VA 24060

光纖感測器的應用： – 位移感測。 – 應力應變檢測。 – 壓力感測。 – 溫度感測。 – 流量檢測。 – 聲波發射。 – 腐蝕感測。 – 化學感測。 – 生物感測。 光纖感測器在應用上也非常的多樣性,如位移感測,應力應變檢測,壓力,溫度,流量,腐蝕,化學等的檢測…當還有現在應用在熱門的生物技術上作生物感測方面 http://www.lunainnovations.com/ Luna Innovations Incorporated 2851 Commerce St. Blacksburg, VA 24060

光纖光柵 光纖光柵是由光纖蕊某區段之折射率作週期性改變，透過不同週期的設計，使光在傳輸時能產生反射或耦合的作用，並在穿透光譜中產生驟降峰之現象。 纖蕊 纖殼 接下來介紹光纖光柵,所謂的光纖光柵是由光纖蕊某區段之折射率作週期性改變，透過不同的週期設計，使光在纖蕊傳輸時能產生反射或耦合的作用及效應，並在穿透光譜中產生驟降峰之現象。下面的部分目前常見的光纖光柵,若光柵週期短則光在傳輸過程中會被完全反射,一般稱這種光柵為布拉格光柵;若光柵週期長,光在傳輸過程中則會有部分光在纖蕊中傳輸而部分光會有機會被耦合到纖殼之中的情形,藉由此現象,透過表面生物體的貼附會產生驟降峰波形的偏移,並以此作為我們感測的機制 光柵(折射率作週期改變)

長週期光纖光柵模耦合理論 b +clad K b +core Λ b=2pn/l 纖殼 纖蕊 K 為光柵週期。 為傳播常數。 接著將對光纖光柵的模耦合理論,其理論是以光學Snell定律作為基本理論,當入射一光波進光柵時,大部分光會繼續在纖蕊中傳輸且會有一傳波常數;而部分光會被耦合到纖殼之中,其傳波常數為Beta plus cladding. 此兩相位的匹配即的光柵的波向量,若要得到同向模態間的耦合,則K會很小,導致Λ很大,約為數百個μm,故稱為長週期光柵, 為基本纖核模態傳播常數。 為第n階纖殼模態的傳播常數。 為光柵波向量。 K

長週期光纖光柵感測器之原理 n3    m Transmitted spectrum 纖殼 n2  Input spectrum    1 纖蕊 n1   m   2 No Reflection m  -1 既然有了長週期光纖光柵的理論,當光傳輸經過光柵時,會有一驟降波的產生,若表面經過改質接枝且感測到待檢測物後,原先經光柵所產生的驟降波會因此產生偏移的現象,藉此偏移量可作為長週期光纖光柵感測器的感測 待檢測物

長週期光纖光柵之製作 週期光罩 UV雷射光 光纖 UV雷射光曝光區

ArF Excimer Laser LPX 210i 第一面反射鏡 抽風管 氣體管路 雷射主體 聚光鏡 光罩 第三面反射鏡 聚焦鏡 控制平台 第二面反射鏡 第三面反射鏡 聚焦鏡 控制平台 氣浮式 穩定平台 雷射光路 ArF Excimer Laser 這是在製作長週期光纖光柵的平台,以準分子雷射經過一連串的聚焦及反射後,產生UV光並作光纖的光柵的曝光.目前此工作平台是與中正理工學院合作,在中正理工學院完成光柵之製作

光纖表面化學反應 (A).胺基矽烷與光纖表面OH基產生鍵結反應；(B).生物素與光纖表面胺基矽烷的NH2基鍵結；(C). 光纖上的胺基矽烷與生物素完成反應。 David, R. B. et. al.,” A High-Sensitivity Micromachined Biosensor,” Proc. IEEE 85(4),672-680,1997

利用抗原抗體結合的單一性, 製作出我們要的生物感測器 在完成表面改質後的光纖光柵表面, 種上抗體 利用抗原抗體結合的單一性, 製作出我們要的生物感測器 這是長週期光纖光柵在經過表面交聯,接種抗體之後,生物體貼附的示意圖,利用抗原抗體結合的單一性, 即製作出我們要的生物感測器

表面改質: 光纖材料表面親疏水性處理 及化學交聯 固定化處理: 光纖表面固定化處理 建立資料庫: 針對各檢測物建立相關的數據 設計: 長週期光柵 產品: 長週期光柵光纖生物感測器 採購: 1.光譜儀 2. 表面檢測及相關組件 光柵製作: 準分子雷射製備光纖光柵 測試: 光纖生物感測器的定性及定量測試分析 以下是此計劃的魚骨圖,從此魚骨圖可以清楚的看出研究相關的背景及執行過程,如穩定性高的光纖光柵設計及製作,光纖表面化學改質,設備的採購,資料的建立及測試等等…

長週期光纖光柵感測器製作流程中需要許多相關製程設備，目前對於光纖光柵之製作主要在中正理工學院完成，本實驗室則集中在光纖光柵之設計與光纖表面改質之研究。 本實驗室主要設備有UV及電漿表面改質機台、相位差顯微鏡及拉曼光譜儀。本計畫購置之位相差顯微鏡主要可觀察光纖表面經UV光改質後微生物動態貼附之情形，再配合動態光譜量測即可發展出靈敏可靠的光纖生物感測器。

實驗設備-反應槽 鐵氟龍管: 內徑為 1.5 mm 長 度 280 mm 容量 0.5 ml 以下將對實驗的反應檢測設備作說明,在一鐵氟龍管中置入一已做好表面處理之長週期光纖光柵,之後並注入所要檢測之目標物,再將兩端接至光譜分析儀器上作檢測 鐵氟龍管: 內徑為 1.5 mm 長 度 280 mm 容量 0.5 ml

實驗設備-光譜分析儀 照片中為實驗用之光譜分析儀及光纖切割器 FITEL光纖切割器 Anritsu MS 9710A‧光譜分析儀

　實　驗　結　果

目前已完成之工作項目包括： 1. 長週期光纖光柵之最佳化設計與製作。 2. 光纖表面之濕式、UV及電漿表面改質。 　 3. 位相差顯微鏡觀察改質後材料表面微生　物動態貼附之情形 4. 量測表面改質及抗體抗原接合時感測頻譜變化情形

電漿表面改質 以氧氣電漿處理後之表面 (3 sccm 50 W) 未經電漿表面處理之PMMA表面

氧氣電漿表面改質對濕潤角之影響 電漿功率100W、處理時間3分鐘、腔體高度2.5 cm 以氧氣電漿表面處理 (3 sccm)

電漿功率及反應氣體對潤濕角值的影響 電漿處理時間 3分鐘 氣體流量 3 sccm 腔體高度2.5 cm 以氧氣電漿處理後之表面 (3 sccm 50 W) 以氬氣電漿處理後之表面 (3 sccm 100 W) 以氧氣電漿處理後之表面 (3 sccm 100 W)

石英光纖表面經改質後的顯微組織 50% Silane 3小時 50% Silane 3小時 + GA 1.5小時

長週期光纖光柵生物感測器量測結果 50% Silane (甲醇) ，浸泡 3 小時 未處理前之光纖光柵光譜 2.5% GA (水) ，浸泡 1.5 小時 未處理前之光纖光柵光譜

長週期光纖光柵生物感測器動態量測結果 streptavidin濃度20 ng/ml 進行動態量測，損耗峰波長之偏移量與量測時間之關係圖 P. J. Chen, H. Y. Lin, D. T. Chen, I. M. Liu, K. J. Ma, H. H. Chien and C. L. Chao,“Fabrication of Long-period Fiber Grating Optical Biosensor”, The 4th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology, Glasgow, Scotland, May 31-June 2, 2004.

抗原濃度對損耗峰偏移量之影響 損耗峰偏移量與streptavidin濃度之關係圖

長週期光纖光柵生物感測器之靈敏度 Immobilized layer Biotin/ Silane Au rods IgG Target (20 ng/ml) Streptavidin Anti-IgG Peak shift (nm) 2.0 1.6 0.8

PMMA 材料氧氣電漿表面改善質對細胞貼附成長之影響 500 W 50 W 100 W

結 論 1. 經UV或電漿表面改質後的光纖有助於官能基之固定及增進微生物之貼附，可有效改善光纖感測器之靈敏度 結　論 1. 經UV或電漿表面改質後的光纖有助於官能基之固定及增進微生物之貼附，可有效改善光纖感測器之靈敏度 2. 長週期光纖光柵生物感測器，可進行動態量測，靈敏度與穩定度高，由實驗結果已知反應時間僅約5分鐘，其靈敏度可達到10~30ng/ml ，在理想狀態下預期偵測之最低濃度將可以達5ng/ml。 3. 長週期光纖光柵感測器不僅可用於生物感測，未來亦可將此技術應用在溫、濕度、環境污染、建築物安全，半導體製程等監控，開發效益顯著。

謝 謝 指 教