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研究生:宋致祥
研究生(外文):Zhi-Hsiang Song
論文名稱:SPR光學感測技術之橫向傳播理論於生醫晶片之研究
論文名稱(外文):The Lateral Propagation Theory of Surface Plasmon Resonance for Novel Biochip Detection System
指導教授:林啟萬林啟萬引用關係
指導教授(外文):Chii-Wann Lin
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣大學
系所名稱:醫學工程學研究所
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
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:98
中文關鍵詞:生醫感測器表面電漿共振傳播長度橫向傳播
外文關鍵詞:biosensorbiochipsurface plasmon resonancepropagation lengthlateral propagation
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表面電漿共振(surface plasmon resonance,SPR)現象應用於氣體、化學、生物分子感測技術的研究已經有數十年歷史。以往SPR光學檢測的主要範圍在垂直介面200nm內之深度分析,偵測結果也屬於光點區域的平均現象。又針對生物晶片之低濃度樣本檢測,大多限於改善光學系統的設計方式,在感測原理上未見有創新發展。事實上,SPR的能量分布在垂直介面及平行介面方向皆呈指數衰減,當入射光波長介於可見光至近紅外光範圍且達到SPR共振態時,垂直穿透深度變動不大,只有約100~200nm區域,而沿著介面的橫向傳播長度可達數十至數百µm,幾乎高了三個數量級,這個特性延伸出以SPR之橫向傳播特性作為表面探測器的構想。

本論文為探究SPR的橫向傳播(SEW)現象,由理論模擬開始,目的在設計適當的感測晶片、激發及偵測光路,使用雙稜鏡耦合法結合衰減強度偵測光路,藉由增加實際感測面積之方式,在沿金屬或表面鍍膜的傳播距離內,觀察生醫晶片表面因生物分子反應結合引起的訊號變動。另外還有共振波長偵測架構,在固定之稜鏡間距內,觀察SPR共振波長之變化情形來推得表面物質反應狀況。

根據評估,衰減強度偵測光路初步可達到的靈敏度約1.05*10^-5 RIU(波長790nm時),共振波長偵測架構可達到的靈敏度約2.2*10^-5 RIU(稜鏡間距=40µm時、金膜感測面)。若波長繼續拉長至紅外光波段,則藉由增加實際感測面積提高解析度之效果會更顯著。目前已成永狻�SEW之橫向傳播特性可應用於各種介面的SPR光學感測,唯因流體控制之技術還未成熟,故以觀察空氣介面為主。預期未來可進一步配合微機電技術,提供適當尺寸之微流道,使感測區更精確,使之更適用於多通道的高通量檢測與高靈敏度儀器之未來發展。
The surface plasmon resonance (SPR) phenomenon was described in 1959 and has been used for decades. SPR biosensors are optical sensors using polarized surface electromagnetic waves (SEW) to probe molecular interactions between metal film surface and dielectric medium. Generally, the sensing area of SPR is limited in vertical penetration depth. Actually, there still exists laterally propagating SEW which can enlarge (depending on the wavelength and the refractive index of the interface type) the sensing area of SPR for almost 103 times! Yet the idea of using SEW as a sensitive probe has never been applied to bio-sensing.

In this thesis, we investigated the lateral SPR propagation theory and implemented a novel optical SPR detection system, including biochip fabrication. Using two-prism coupling method to excite SPR, we also design two kinds of optical system: intensity detection system (at fixed wavelength, measuring the propagation length variation) and resonant wavelength detection system (at fixed propagation length, measuring the resonant wavelength variation). We can find lateral SPR phenomenon then track binding conditions on the surface.

Propagation length is increasing with excitation wavelength. The ability to sample a surface for much longer distance than penetration depth can enhance the detection sensitivity for ~1.05*10^-5 RIU at λ=790nm and for ~2.2*10^-5 RIU at gold film with propagation length=40µm.

In the future, this novel system can apply for the high throughput, high sensitivity applications of multi-channel SPR sensing devices.
SPR光學感測技術之橫向傳播理論於生醫晶片之研究 1
The Lateral Propagation Theory of Surface Plasmon Resonance for Novel Biochip Detection System 1
致謝 2
中文摘要 3
English Abstract 4
英文簡寫說明 5
目錄 6
表目錄 8
圖目錄 9
第1章 序論 12
1.1. 前言 12
1.2. 研究動機與貢獻 16
1.3. 文獻整理回顧 17
1.3.1. SPR偵測架構的分類與比較 17
1.3.2. SEW的研究歷史 20
1.3.3. 研究SEW吸收狀況之架構 22
1.3.4. Otto架構之可行性 26
1.3.5. Long-range與雙金屬膜層 27
1.4. 論文架構 29
第2章 基本原理 30
2.1. 漸逝場與表面電漿共振 30
2.2. 表面電漿共振的理論分析 32
2.2.1. 以Maxwell電磁理論解釋SPR現象 32
2.2.2. 色散關係式與耦合條件 36
2.2.3. 特徵矩陣計算膜層厚度與激發條件 38
2.3. 表面電漿共振在介面之電場分布探討 40
2.3.1. 表面電漿波之橫向傳播性質與方程式 40
2.3.2. 表面電漿波之垂直穿透性質與方程式 41
第3章 實驗計算與模擬 44
3.1. 表面電漿共振之激發條件計算 44
3.1.1. 模擬全反射之漸逝場深度 44
3.1.2. SPR角度與Otto間隙厚度之模擬 44
3.2. 表面電漿共振之感測區域計算 46
3.2.1. 模擬SPR之垂直穿透深度與橫向傳播長度 46
3.2.2. 模擬SPR之三維分布曲線 48
3.2.3. 純粹金膜與雙層金屬膜之模擬比較 49
3.3. 入射光波長,傳播長度與折射率變化的關係 49
3.3.1. 由傳播長度變動推得表面折射率變化 49
3.3.2. 由共振波長變動推得表面折射率變化 52
3.4. 入射光角度受稜鏡偏折之計算 53
3.5. 由稜鏡直角入射的原因 55
第4章 實驗材料及方法設計 57
4.1. 感測晶片設計 57
4.1.1. 晶片鍍膜製程 58
4.1.2. 晶片膜厚校正 61
4.2. 稜鏡設計 62
4.3. 量測平台設計 62
4.4. 光路設計 64
4.4.1. 衰減強度測量方法 64
4.4.2. 共振波長變動偵測法 67
4.5. 生物固定化程序 67
4.6. 實驗步驟 71
第5章 實驗結果與分析 72
5.1. 關於膜厚和表面粗糙度的檢驗結果 72
5.2. Otto架構下加壓與不加壓稜鏡的差別 75
5.3. 橫向傳播長度調變與反射光強度之關係 78
5.4. 調變橫向傳播長度與表面改質感測 79
5.5. 橫向傳播長度固定,表面變化與SPR吸收波長之關係 80
5.6. SPR與生物固定化實驗 84
5.6.1. SPR偵測液態介面之生物分子 84
5.6.2. SPR偵測氣態介面之生物分子 88
第6章 結論 92
第7章 未來潛力與發展 94
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