張正陽

本研究主要在於發展一低成本、免標定與高敏感度的波導共振生物感測器。波導共振元件是一種光學的濾波器，它藉由其特殊的次波長波導光柵結構來反射特定的光波。當波導共振元件的邊界條件被改變的時候，如，生物分子附著於結構表面，結果會造成其共振波長的偏移。本研究藉由此特性將波導共振元件做為一個體外的生物感測器，用以檢測生物分子。本文內容包括：此共振元件的敏感度與結構關係之理論探討、一個高敏感度的型變波導共振結構（金屬輔助波導共振）與建立其相對應的檢測平台，並實際展示此系統於生物分子檢測應用的效能。在實驗部分，我們發展出一套適用於製作低成本高均勻性波導共振元件的奈米壓印技術與一個對凝血酶具有專一性結合能力的核酸適合體式波導共振晶片並具有抗汙的能力。最後，本文亦建立適用於金屬輔助波導共振元件的波長解析檢測平台與適用於一般波導共振的光強解析的檢測平台。 於敏感度理論分析中，我們提出一個簡化的波導模型來預測表面淺蝕刻式波導共振生物感測器的敏感度。這個簡化的模型相對於現有常見的模擬方法，如：嚴格耦合波理論或是有限時域差分法來說，是個便利且快速的計算方法，並且可以更加深入探討共振機制。所以本研究藉由此提出的模型，有系統的分析與探討波導共振元件之結構與其對應敏感度關係。其中，我們亦將此模型之預測結果與嚴格耦合波理論的計算結果相互比較，我們發現，此簡化模型所提出的預測結果與嚴格耦合波的結果具有高度的吻合性。 在高敏感型變波導共振的單元中，為了使波導共振感測器更能接近一般生醫檢測應用的範疇，我們提出高敏感度金屬輔助波導共振的結構，根據實驗結果，其敏感度相較於傳統波導共振結構提升一倍。其中，金屬輔助波導共振元件的反射光譜展現出一個特殊的反轉型光譜，這個共振的機制亦在本單元討論。另一方面，由數值模擬結果可知，此元件之高敏感度來自於其強烈的非對稱共振場分布型態與波導內的低傳播角共振。數值計算結果顯示，在藉由此方法，晶片表面的消逝波強度被增強了一倍，進而達到提升感測器之靈敏度。此外，本研究中亦開發奈米壓印方法並應用於晶片製造，用以達到低成本的高均勻性晶片。經模擬與實驗證實，壓印型金屬波導共振元件可再次明增加感測器之靈敏度。 接著，本研究分別建立適用於金屬輔助波導共振與波導共振之檢測平台，其分別屬於光譜解析與光強解析的架構。在光譜解析的設置中，我們使用低輸出（éntendue）設置法，此法大幅減小建構系統與實驗量測的困難度。此外，此設置法也減少因為基板所造成的干涉條紋。在另一方面，在強度解析的設置中，透過調制通過波導共振元件的偏振光，將特徵橢圓偏振轉換成線性偏振，接著使用檢偏器遮蔽，最後可得到近乎全暗的背景訊號，使任何的折射率變化皆會造成光強增加，而達到檢測的目的。 最後呈現的是一個以核酸適合體為固定化分子的免標定、即時檢測之金屬輔助波導共振生物感測器。實驗中，兩條不同序列的抗凝血酶核酸適合體被固定於金屬輔助波導共振晶片的表面，用以作為生物辨識分子而進行凝血酶之檢測。其中此檢測器亦通過非專一性的抗污測試。於凝血酶之檢測中，本感測器使用15與29鹼基抗凝血酶核酸適合體檢測凝血酶分別可達到0.55與0.44 nm/μM的靈敏度，其檢測極限分別為190與230 nM。