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研究生:徐維良
研究生(外文):Wei-Liang Hsu
論文名稱:光學與電子生醫檢測技術之開發:多功光電生醫晶片儀與新式電化學量測方式
論文名稱(外文):Development of Optical and Electrical Biotech Methodology :An Optically Multi-functional Biochip System and Innovative Electro-Chemistry Methodology
指導教授:吳光鐘李世光李世光引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:應用力學研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:138
中文關鍵詞:橢圓偏光術表面電漿共振電化學檢測
外文關鍵詞:ellipsometrysurface plasmon resonanceelectro-chemistry
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本研究成功的架構了一套完整的多功光電生醫晶片儀,其中整合了一套拋物面鏡式的變入射角機構、液晶相位調制器、參考光路與流道系統,提供了相位調制式橢圓偏光術與表面電漿共振技術兩種光學檢測模式,利用流道系統延伸兩套光學檢測模式於生物醫學免疫反應試劑(ELISA)與生物分子相互作用(BIA)的應用。除此之外,利用橢圓偏光術與表面電漿共振技術的整合,將生物醫學檢驗技術的解析度大幅提升,並將橢圓偏光術應用於生物醫學的動態檢測上做了實際的運用。在此將所研製之系統命名為OBMorph,利用此一創新檢測系統,提供生物醫學上於病原抗體檢測、生物動態結合分析與表面濃度量測的研究平台。
本研究所建構之系統中,利用拋物面反射鏡搭配伺服馬達控制三角稜鏡的位置,將入射角的精度控制於±0.001°,範圍可從20°變化至80°,並以布魯斯特角度(Brewster’s angle)與表面電漿共振角度作為系統起始角度的依據,將角度控制之準確度提高。此外,將系統中參考光路因元件不完美所造成之誤差利用軟體補償,增加系統檢測訊號之精確度與可靠度,且採用兩次入射試樣的偵測方式,提升系統之靈敏度。最後進行光機調校之步驟建立與系統轉換函數的分析及校正,使系統可精準的求出試樣檢測值。配合流道系統,使用步進馬達控制注射幫浦,將試樣流速可精準的控制在1μl/min至50μl/sec之間,配合蠕動幫浦輸入試樣、電動閥門控制試樣輸入,使系統擁有量測生物動態鍵結反應的能力。
電化學檢測方式為本研究的另一個主要重點,於此以血糖電化學檢測為開端,進而提出四種新式電化學檢測方式,其主要概念架構於正弦波的頻率調制與振幅調制,欲利用此一創新想法達到快速省電的目的。於初步驗證上,利用方波波形與正弦波波形的電壓供給,經過酵素型血糖檢測試片,驗證了此新式電化學檢測方式的於血糖量測上的可行性。此外,利用本研究的OBMorph的表面電漿共振技術來觀察因血糖濃度不同所造成的折射率變化,欲藉此一方式擴展OBMorph於一般醫學檢測上之應用。
In this dissertation, a multi-functional optical biochip system was built. This biosensor is developed by integrating ellipsometry and SPR detection tech-niques, which adopted a paraboloidal mirror and a spherical mirror to vary the incident angle, a LCD phase modulator to control incident light beam retardance, a reference optical path to calculate the phase modulated by LCD, and a flow-injection system to supply bio-samples to biochip. The other important function of this biosensor is to observe SPR phenomenon by using the ellip-sometric configuration. By using this method, the SPR resolution could be sig-nificantly enhanced, and the characteristics of ellipsometry give detailed infor-mation for bio-tech analysis. Information such as film thickness, physical pa-rameters, concentration, mass, density, kinetic constants, binding specificity, etc. can all be retrieved. This biosensor was named OBMorph, which is an acronym of Opto-BioMorphin. In summary, OBMorph could serve both as a research and development tool as well as a manufacturing tool in biomedical area.
In order to achieve high precision goal, we adopt the mirrors and a 0.4μm accuracy servomotor to control incident angle between 20° to 80° within ±0.001° angular accuracy. By identifying Brewster’s angle and SPR angle, the interro-gation angle could be retrieved accurately which leads to much higher sensitivity and stability. Moreover, calibration of reference optical path would be carried out, and the phase modulated by LCD would be detected more precisely to make our measurement more reliable. In order to increase signal to noise ratio, the object beam is designed to be reflected by sample twice times, and the extra el-lipsometric parameters induced by the system would be detected and eliminated. Eventually, experimental results show that OBMorph, which is integrated with high efficiency flow injection system, could successfully measure not only the immobilized monolayer of IgG and bio-linker but also the thickness of biochip coating.
A novel electro-chemistry method is another issue discussed in this disserta-tion. There are two methods were examined and all these four methods derived their basic thoughts from adopting and modulating sinusoidal waves. From the experimental results, the first two methods are verified through enzymatic meth-ods. With an attempt to expand the applications of OBMorph, this biosensor is also tested to pursue glucose concentration measurement as well.
中文摘要 i
Abstract iii
致謝 v
目錄 vi
圖目錄 x
表目錄 xiii
第 1 章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 生醫檢測系統 4
1-2-1 橢圓偏光術之研究與應用 5
1-2-2 表面電漿共振技術之研究與應用 7
1-2-3 血糖檢測之研究與應用 9
1-3 研究貢獻 11
1-4 各章節簡介 12
第 2 章 血糖檢測之問題與電化學檢測 13
2-1 血糖檢測機制 13
2-1-1 侵入式檢測與與半侵入式檢測 13
2-1-2 非侵入式檢測 15
2-2 電化學血糖檢測機制 16
2-2-1 文獻回顧 16
2-2-2 還原法 18
2-2-3 酵素法 18
2-2-4 電化學血糖檢測器 19
2-2-5 基本電化學動力學 20
2-3 新式電化學血糖檢測 22
2-3-1 現行電化學血糖檢測 22
2-3-2 新式血糖檢測 23
2-4 新式血糖檢測實驗 27
2-4-1 新式血糖檢測流程 27
2-4-2 新式血糖檢測之實驗架構 28
2-4-3 新式血糖檢測之實驗目標 29
第 3 章 生醫晶片儀之光學原理 31
3-1 基本薄膜光學 31
3-1-1 橢偏參數之定義 31
3-1-2 薄膜之光學特性 33
3-1-3 瓊斯向量與矩陣 36
3-2 橢圓偏光術 38
3-2-1 相位調制式橢圓偏光術 38
3-2-2 橢圓參數與薄膜之關係 39
3-3 表面電漿共振 41
3-3-1 表面電漿波 41
3-3-2 表面電漿共振之激發 45
3-3-3 表面電漿共振之偵測 47
第 4 章 生醫晶片儀之研製 50
4-1 系統設計理念 50
4-2 光路佈局與設計 51
4-2-1 橢圓偏光術之光路 51
4-2-2 表面電漿共振技術之光路 53
4-3 光路架構原理 54
4-3-1 橢圓偏光術 54
4-3-2 表面電漿共振技術 57
4-4 系統分析 59
4-4-1 系統檢測流程圖 59
4-4-2 入射角控制分析 60
4-4-3 液晶相位調制器應用 62
4-4-4 系統電路 66
4-4-5 電腦介面 68
4-5 系統光路調校 72
4-5-1 光路校準步驟 73
4-5-2 偏極元件校準步驟 77
4-6 檢測訊號模擬 78
4-6-1 橢圓偏光儀檢測訊號模擬 78
4-6-2 表面電漿共振技術訊號模擬 81
4-6-3 橢圓偏光儀下表面電漿共振技術訊號模擬 82
4-7 流道系統整合 87
4-7-1 生醫晶片設計 87
4-7-2 流道系統 88
4-7-3 系統整合 91
第 5 章 實驗結果與討論 92
5-1 生醫晶片儀於橢圓偏光術 92
5-1-1 重複性之測試與分析 92
5-1-2 校正轉換函數測量與入射角之分析 94
5-1-3 鍍膜量測結果 96
5-1-4 生物薄膜固定化技術 99
5-2 生醫晶片儀於表面電漿共振技術 101
5-2-1 系統測試與分析 101
5-2-2 ELISA生醫反應測量 102
5-2-3 BIA生醫反應測量 104
5-2-4 血糖濃度測量 107
5-3 生醫晶片儀於橢圓偏光術觀測表面電漿共振 108
5-3-1 系統測試與分析 108
5-3-2 ELISA生醫反應測量 110
5-3-3 BIA生醫反應測量 112
5-3-4 血糖濃度測量 114
5-4 電化學血糖檢測 115
5-4-1 方波電壓之檢測 115
5-4-2 正弦波電壓之檢測 116
第 6 章 結論與未來展望 118
6-1 結論 118
6-2 未來展望 119
參考文獻 122
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