長週期光纖光柵生物感測器電漿表面改質之研究

1. 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

2. 目標物貼附 能量轉換器 生物感測受體 無訊號 無特別的辨識 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。

3. 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。 http://www.lunainnovations.com/ Luna Innovations Incorporated 2851 Commerce St. Blacksburg, VA 24060

4. 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。 http://www.lunainnovations.com/ Luna Innovations Incorporated 2851 Commerce St. Blacksburg, VA 24060

5. 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 光柵(折射率作週期改變)

6. b=2pn/l 為傳播常數。 為基本纖核模態傳播常數。 為第n階纖殼模態的傳播常數。 K 為光柵波向量。 長週期光纖光柵模耦合理論 b+clad K 纖殼 b+core 纖蕊 Λ 為光柵週期。

7. 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 0  2 No Reflection -1  m 待檢測物

8. 長週期光纖光柵之製作 UV雷射光 光纖 週期光罩 UV雷射光曝光區

9. 抽風管 氣體管路 LPX 210i 雷射主體 第三面反射鏡 第一面反射鏡 聚焦鏡 控制平台 氣浮式 穩定平台 第二面反射鏡 雷射光路 聚光鏡 光罩 ArF Excimer Laser

10. 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

11. 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

12. 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

13. 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。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。

14. 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

15. 實驗設備-光譜分析儀 FITEL光纖切割器 Anritsu MS 9710A‧光譜分析儀

16. 　實　驗　結　果

17. 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

18. 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

19. 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(200 sccm) 以氧氣電漿表面處理(3 sccm)

20. 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)

21. 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

22. 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 2.5% GA (水) ，浸泡 1.5小時 未處理前之光纖光柵光譜

23. 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.

24. 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

25. 長週期光纖光柵生物感測器之靈敏度

26. 50 W 100 W 500 W PMMA 材料氧氣電漿表面改善質對細胞貼附成長之影響

27. 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。

28. 謝 謝 指 教