TWI418775B - 具光子晶體結構之檢測器 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種具光子晶體結構之檢測器，且特別是關於一種具分子拓印孔洞之光子晶體材料的檢測器，可用以快速偵測各種目標待測物其中之一的濃度。
近年來，科學家發現有些化學物質會干擾內分泌系統，故稱其為「內分泌干擾素」(Endocrine disrupter，簡稱ED)，或為「干擾內分泌之化學物質」(Endocrine Disrupting Chemicals，簡稱EDCs)。由於環境荷爾蒙(或干擾內分泌之化學物質EDCs)對生物體內分泌產生干擾之人工合成化學物質，影響生物體發育、生長、行為或生殖有巨大影響，且環境荷爾蒙持續循環於環境中，聯合國環境計畫(UNEP)已定環境荷爾蒙為重大議題，而我國環保署則針對屬EDCs之雙酚A、壬基苯酚等常見塑化劑進行調查，發現其環境流佈情形相當嚴重。
根據環保署調查數據顯示，我國自來水廠所取用之水源含有數ppb之環境荷爾蒙。若以現有環境荷爾蒙分析設備－高靈敏的液相層析質譜儀(如串聯式質譜儀LC/MS/MS)與生物感測器(biosensor)等設備監控自來水中環境荷爾蒙濃度，需數小時至數日(含前處理時間)始能獲得結果，此遠大於自來水廠淨水程序時間2~3小時，使自來水廠無法進行水源監控與淨水後水質確認。因此發展一可簡易、快速偵測水中環境荷爾蒙之檢測器，使自來水廠可迅速確認並掌握水源與處理後水質之環境荷爾蒙濃度，實有其必要性。
除了環境荷爾蒙，其他環境污染物、或是生化物質如蛋白質分子、抗體等，都希望能透過準確、快速又低成本的方式來檢測目標待測物。一般以高靈敏的分析儀器進行檢測目標待測物，多有步驟複雜、分析時間較長和成本過高等缺點。以高靈敏液相層析質譜儀(LC/MS/MS)為例，因儀器設備昂貴，樣品需前處理，分析步驟繁雜且品質規範要求高，進入門檻高，且分析成本昂貴；再者，雖然準確性高且可同時分析多種物質，但分析時間需要至少十小時以上(含前處理)，不易即時進行目標待測物之流佈調查。又例如使用生物感測器檢測環境荷爾蒙為例，生物感測器之專利技術集中於少數國際大廠，我國業者難以突破並無法建立自主技術，且在特性上其所得結果屬總量表徵，無法辨析單獨環境荷爾蒙成分，不易以所得結果進行產生源追查與防治，而生物分子保存不易，使用期限短暫，也限制其使用時的穩定性，再者分析時間需要數十小時(含前處理)，更是不適宜進行環境荷爾蒙的即時監測。
因此，若能研發出一低成本、分析步驟簡易、可現地快速分析之各目標待測物之檢測器，將有助化學分析檢測技術之提昇。例如環境荷爾蒙檢測器之開發，將有助於環保單位對環境荷爾蒙之流佈掌握與管控。
本發明係有關於一種具光子晶體結構之檢測器，結合光子晶體結構與分子拓印材料等技術，所製作出之檢測器，可現地、快速偵測和分析一目標待測物(如環境荷爾蒙、蛋白質分子、抗體...等)之濃度。
根據本發明，係提出一種具光子晶體結構之檢測器，包括：規則排列之複數個空洞和一具無機材之分子拓印高分子(molecularly imprinted polymers，MIPs)，其中該高分子具有複數個分子拓印孔洞，且該些分子拓印孔洞係可與一目標待測物質(target compound)結合。複數個空洞係規則排列於該分子拓印高分子之內部。其中，空洞和分子拓印高分子係構成一光子晶體結構。
為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明係提出一種具光子晶體結構之檢測器，利用分子拓印孔洞對某一目標待測物質產生高度專一性結合(specific binding)，免除測試樣品中其他物質之干擾，提高分析結果之準確性；而光子晶體結構則是扮演訊號傳導元件，當分子拓印材料與目標待測物質結合後，此光子晶體結構將產生光學特性變化(例如反射波峰偏移的現象)，藉由量測此光學特性變化，對比相對應之訊號與濃度關係，將可快速獲知測試樣品中目標待測物質濃度。
以下係根據本發明提出一實施例，並佐以部份實驗以詳細說明本發明。然而，實施例和實驗中所提出之檢測器結構、目標待測物質和檢測器製作流程等內容僅為舉例說明之用，並非作為限縮本發明保護範圍之用。熟習相關技術者可根據實施例和實驗之揭露內容，而針對應用時實際條件之需求對檢測器稍作變化修改。再者，實施例之圖示僅繪示本發明技術之相關元件，省略不必要之元件，以清楚顯示本發明之技術特點。另外，實驗中係以雙酚A為目標待測物質做相關說明。
請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例之具光子晶體結構之檢測器的示意圖。檢測器10包括多個空洞11和一具無機材之分子拓印高分子(molecularly imprinted polymers，MIPs)13。其中該高分子13係具有複數個分子拓印孔洞132，且分子拓印孔洞132的形狀係與一目標待測物質(target compound)相對應，以用於與目標待測物質結合。而空洞11則規則地排列於分子拓印高分子13之內部。其中分子拓印高分子13與該些空洞11構成一光子晶體結構。當進行檢測時，分子拓印孔洞132結合目標待測物質後，光子晶體結構係產生一光學特性變化，例如將產生(反射)波峰偏移的現象。藉由量測此一光學特性變化，對比相對應之訊號與濃度關係(如與建立的檢量線對比)，將可快速獲知測試樣品中目標待測物質之濃度。
在一實施例中，空洞11例如是實質上大小相同之球體或微粒形狀，但本發明對此並不多做限制。再者，在一實施例中，具無機材之分子拓印高分子13則包括一種或多種無機材料，例如矽氧化合物、或矽、鋯、鈦、鋁、和鋅等無機材。在另一實施例中，分子拓印高分子可包括一或多種無機有機交聯物質，其中無機交聯物質例如是選自由四丁氧基鈦(Titanium tetrabutoxide)、正鈦酸四丁酯(Tetrabutyl titanate)、四異丙醇鈦(Titanium isopropoxide)、和丙基氧化鋯(Zirconium tetrapropanolate)所組成之群組。在另一實施例中，亦可以無機材為主要構建材料，並參雜少部份有機單體而形成無機有機交聯物質，以提升檢測效果，可應用之有機單體例如以帶烷基之矽氧前驅物為主之單體，如：正己基三乙氧基矽烷(n-hexyltriethoxysilane)、丙基三乙氧基矽烷(triethoxypropylsilane)、三乙氧基丙基矽烷(propyltriethoxysilane)、正辛基三乙氧基矽烷(triethoxyoctylsilane;n-octyltriethoxysilane)、正十八烷基三乙氧基矽烷(octadecyltriethoxysilane；triethoxyoctadecylsilane)等等。
再者，於實際應用時，檢測器10可用來偵測液相或氣相樣品。當測試樣品為液相時，檢測時空洞11係充滿液體；當測試樣品為氣相時，檢測時空洞11係充滿氣體，液相或氣相樣品中的目標待測物質(目標污染物)則結合於分子拓印孔洞132內。而檢測器10可應用的範圍十分廣泛，例如在環境污染物偵測應用領域中，可用以進行如17-β雌二醇(17-β estradiol)、6-酮雌二醇(6-Ketoestradiol)、苯芘(Benzo(a)pyrene)、咖啡因(Caffeine)、阿夫唑秦(alfuzosin)、1-萘基N-甲基氨基甲酸酯(Carbaryl)、兒茶酚/鄰苯二酚(Cathecol)、丁基苯酚(Terbutylphenol)、草脫淨(Atrazine)...等物質之檢測。在生化檢測應用上，可用以進行如牛血清白蛋白(Bovine Serum Albumin)、膽酸(cholic acid)....等物質之檢測。在氣體檢測上，可檢測如甲苯、二甲苯、乙苯...等分子。當然也可用對於其它待測物質進行分子檢測。
第2圖係為製備如第1圖所示之分子拓印高分子之簡示圖。分子拓印的製備原理主要是利用共價鍵結(化學鍵)或非共價鍵結(離子對、氫鍵作用、凡得瓦爾力)將一模板分子(molecular template)與特定高分子單體自組裝(self assembly)後做為分子辨識的依據(可參考文獻ANALYTICA CHIMICA ACTA 622(2008) 48-61；J. Org. Chem . 1997
,62,4057-4064；J. Am. Chem. Soc. 1995
,117,7105-7111)。如第2圖所示，提供欲拓印之模板分子14(即欲偵測之目標待測物質)與特定高分子單體15後，由於實施例中具無機材之分子拓印高分子13係以無機基材為主，可利用溶膠-凝膠法形成模板分子14與高分子15’之網狀結構，之後移除模板分子14，形成分子拓印高分子。所產生之分子拓印孔洞142之後即可與目標待測物質結合。
在另一實施例中，具無機材之分子拓印高分子更具有至少一種特定官能基，如第3圖所示，其繪示依照本發明另一實施例之檢測器的分子拓印高分子之局部放大示意圖。其中，分子拓印高分子23更包含有一或多個特定官能基234a、234b，位於在分子拓印孔洞232內，特定官能基234a、234b可與目標待測物質結合，以輔助分子拓印孔洞232捕捉對應之目標待測物質。實施例中，特定官能基例如是苯環(phenyl group)、胺基(amino group)、或氫氧基(hydroxyl group)等官能基。單一分子拓印孔洞232內的特定官能基數目並沒有特別限定，而特定官能基234a、234b可以相同或相異，應視實際應用所需(如目標待測物質的種類與特性)而作適當選擇與設計。如雌二醇(Estradiol，E2，17β-estradiol)，可設計NH2胺基(官能基之分子作用力為氫鍵)、OH氫氧基(官能基之分子作用力為氫鍵)與苯環phenyl group(官能基之分子作用力為π-π交互作用力)等官能基，作為分子拓印孔洞232內之特定官能基，以提高其對Estradiol之辨識與吸附能力。
第4圖係為形成第3圖之分子拓印高分子之簡示圖。如第4圖所示，先將一模板分子24(即欲偵測之目標待測物質)與特定官能基自組裝，圖中係以3個不同官能基做說明。接著加入特定高分子單體，經過高分子反應(如交聯聚合)後形成具特定官能基之模板分子24與高分子25’的網狀結構，之後移除模板分子24，即形成具特定官能基之之分子拓印高分子。所產生之分子拓印孔洞242之後即可與目標待測物質結合。
在一實施例中，若以雙酚A(Bisphenol A)為目標待測物質，則分子拓印孔洞係與雙酚A之分子形狀對應，而分子拓印孔洞可更具有一或多個苯基(為特定官能基)，以與雙酚A鍵結，輔助分子拓印孔洞捕捉到目標待測物質雙酚A。其中，高分子25’(即具無機材之分子拓印高分子)如前述可係包括一種或多種無機材料，例如矽氧化合物、或矽、鋯之無機材前驅物、或鈦、鋁、鋅....等等諸多無機材，也可以是以無機材為主要構建材料，參雜少部份有機單體而形成無機有機交聯物質。因此實施例中即是以無機材修飾有機官能基(苯基)作為分子拓印高分子材料。
其中，特定官能基之苯基和雙酚A之苯基係透過π-π重疊交互作用(π-πstacking interaction，在此交互作用中，雙鍵中的π鍵會與另一個π鍵重疊)而鍵結。第5圖係繪示苯基為特定官能基以輔助分子拓印孔洞捕捉雙酚A之示意圖。
當光子晶體(如第1圖所示之規則排列的空洞11和空洞11外圍與其間之一具無機材之分子拓印高分子13，在此扮演訊號傳導元件)之分子拓印材料與雙酚A結合後，此光子晶體將產生(反射)波峰偏移的現象。結合雙酚A的濃度不同，波峰偏移量也不同。藉由量測波峰偏移量和對應結合雙酚A的濃度可繪製出一檢量線，如第6圖所示。只要使光子晶體與待測樣品結合後，量測其波峰偏移量(訊號)並對比檢量線，即可快速獲知待測樣品中雙酚A之濃度。
以下，係以雙酚A為目標待測物質進行檢測器之製作做一實施例之詳細說明，。
在一實驗例中，主要是以分子自組裝技術，將均一尺度之苯乙烯微米球構裝出高規則排列結構。以溶膠-凝膠法(sol-gel)法製作具辨識雙酚A之辨識材料(如第1圖所示之具無機材之分子拓印高分子13)，其中係採用分子拓印技術，並以雙酚A作為拓印模板分子(molecular template)。接著將分子拓印高分子材料滲入規則排列之苯乙烯微米球間隙中，之後移除苯乙烯微米球與移除雙酚A模板分子即可。以下係為實驗過程之詳細說明。請同時參照第7圖，係為本發明一實驗例之檢測器製作之流程示意圖。
製作出可與雙酚A結合之分子拓印高分子材料。
取2.3g濃度97wt%之雙酚A(bisphenol A)藥劑，與40ml無水酒精混合至溶解後，加入2ml濃度94wt%之苯基三甲氧基矽烷(phenyl-trimethoxysilane，PhTMOS)、10ml濃度99.9wt%之四乙氧基矽烷(tetraethoxysilane，TEOS)、1.6ml濃度97wt%之丙基三甲氧基硅烷(Trimethoxypropylsilane)於其中並混合均勻，之後再加入4ml濃度0.1M之HCl攪拌48小時後備用(步驟711)。
將濃度3.3wt%、直徑240nm之苯乙烯微米球42滴於載玻片41上，以40℃溫度加熱，直至苯乙烯微米球42自組裝成具高規則性結構之光晶模板(步驟712)。
取適量前述製備得之溶膠態雙酚A吸附材43，利用毛細現象注入光子晶體模板間隙中，得到雙酚A分子拓印吸附材43與苯乙烯微米球42結合之光晶結構物(步驟713)。
將前述光晶結構物置於105℃烘箱乾燥8小時以上，使光晶模板中之雙酚A吸附材43固化、穩定。
然後，將乾燥後之雙酚A分子拓印吸附材43與苯乙烯光晶結構物放入30ml甲苯中浸泡，去除其所含之苯乙烯微米球(步驟714)42，產生規則排列之空洞421。之後取出載玻片41，即得光子晶體結構化之雙酚A分子拓印吸附劑(以下簡稱雙酚A光晶吸附劑)。
將雙酚A光晶吸附劑以20ml甲醇溶劑萃洗至少四次，以移除雙酚A模板分子(產生分子拓印孔洞432)(步驟714)。
甲苯萃洗後之雙酚A光晶吸附劑以40ml去離子水沖洗十次以上，之後浸泡於去離子水中備用。
以下，係提出一實驗例之光子晶體測試系統組裝，然而本領域相關技術者當知以下內容僅為說明之用，並非用以限制本發明，實際應用時仍應視條件所需對應用系統做適當調整。
表1係列出實驗例中光子晶體測試系統各主要器材之規格(附圖1為光子晶體測試系統組裝之照片)。測試系統各元件除載裝操作軟體之電腦外，均置放於一40cm(L)×30cm(W)×15cm(H)之黑色壓克力盒中。
使用雙酚A光晶吸附劑檢測水中雙酚A濃度之測試步驟說明如下。
1. 首先，將光譜儀與電腦連接。
2. 打開操作軟體，確認軟體可接收光譜儀訊號。
3. 依光譜儀供應商之建議，進行光譜儀各項校正，如暗校正、亮校正，再將操作軟體設定為讀取反射訊號。
4. 將塗敷上雙酚A光晶吸附劑之載玻片置放於石英槽中，並以夾具加以固定。
5. 將石英槽擺設於反射光纖探頭前端，倒入超純水40ml，紀錄起始時間、10分鐘後之光譜訊號。若訊號之全反射波鋒值固定未偏移，即可進行水樣測試。
6. 取出超純水，倒入40ml測試水樣，紀錄起始時間、預定比較時間之光譜訊號。
7. 以試算表或計算軟體分析全反射波峰值偏移量。若與已知水樣雙酚A濃度之全反射波峰偏移量進行比對，可進行檢量線之建立，並作為後續未知雙酚A濃度水樣測試結果之比對依據。
本發明上述實施例所揭露之具光子晶體結構之檢測器，利用分子拓印孔洞對某一目標待測物質產生高度專一性的結合，可免除測試樣品中其他物質之干擾，提高分析結果之準確性，而利用光子晶體結構，將可使檢測器快速獲知測試樣品中的目標待測物質濃度。與現有環境荷爾蒙分析設備－高靈敏的液相層析質譜儀(如串聯式質譜儀LC/MS/MS)與生物感測器(biosensor)相較，本發明不但系統體積小，測試過程穩定，操作步驟十分簡單，且儀器設備成本低廉，分析時間更是遠短於既有分析設備，非常適宜進行各種環境物質如環境荷爾蒙的即時監測。再者，可依上述方式開發出一整合式晶片以同時分析和調查多種欲知之環境荷爾蒙物質。另外，雖然上述實施例係以即時監測環境荷爾蒙物質為應用說明，但本發明之應用並不以為限，除了檢測環境荷爾蒙物質，本發明也可應用於生醫特定分子與其他特定環境污染物之檢測等，應用十分廣泛。
綜合來說，本發明之快速、可現地使用之檢測器其應用十分廣泛，例如可協助自來水廠等飲水供應機構進行供水之水質監測，與環保單位對環境荷爾蒙之環境流佈資料建立；或是可作為個人健康防衛如個人飲水、用水健康等保障用品，極富應用價值。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．檢測器
11、421．．．空洞
13、23．．．具無機材之分子拓印高分子
132、142、232、242、432．．．分子拓印孔洞
234a、234b．．．官能基
14、24‧‧‧模板分子
15‧‧‧高分子單體
15’、25’‧‧‧高分子
41‧‧‧載玻片
42‧‧‧苯乙烯微米球
43‧‧‧雙酚A分子拓印吸附材
第1圖繪示依照本發明一實施例之具光子晶體結構之檢測器的示意圖。
第2圖係為製備如第1圖所示之分子拓印高分子之簡示圖。
第3圖繪示依照本發明另一實施例之檢測器的具無機材之分子拓印高分子之局部放大示意圖。
第4圖係為形成第3圖之分子拓印高分子之簡示圖。
第5圖係繪示實施例中苯基為特定官能基以輔助分子拓印孔洞捕捉雙酚A之示意圖。
第6圖係為波峰偏移量相對結合雙酚A濃度所得之檢量線示意圖。
第7圖係為本發明一實驗例之檢測器製作之流程示意圖。
10．．．檢測器
11．．．空洞
13．．．具無機材之分子拓印高分子
132．．．分子拓印孔洞
Claims (13)
- 一種具光子晶體結構之檢測器，包括：一具無機材之分子拓印高分子(molecularly imprinted polymers，MIPs)包括一無機材料，其中該高分子具有複數個分子拓印孔洞，且該些拓印孔洞係用於與一目標待測物質(target compound)結合，該無機材料包括矽氧化合物；和複數個空洞，係規則排列地於該分子拓印高分子之內部；其中該分子拓印高分子與該些空洞構成一光子晶體結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之檢測器，其中該分子拓印高分子係包括一或多種無機材料，係選自包括矽、鋯、鈦、鋁、和鋅等無機材所組成之群組。
- 如申請專利範圍第1項所述之檢測器，其中該分子拓印高分子係包括一或多種無機有機交聯物質，其中無機交聯物質係選自由四丁氧基鈦(Titanium tetrabutoxide)、正鈦酸四丁酯(Tetrabutyl titanate)、四異丙醇鈦(Titanium isopropoxide)、丙基氧化鋯(Zirconium tetrapropanolate)所組成之群組。
- 如申請專利範圍第1項所述之檢測器，其中該分子拓印孔洞更包含有一特定官能基，係用於與該目標待測物質結合，該特定官能基係選自由苯環(phenyl group)、胺基(amino group)、和氫氧基(hydroxyl group)所組成之群組。
- 如申請專利範圍第1項所述之檢測器，其中該些分子拓印孔洞係與雙酚A(Bisphenol A)之分子形狀對應。
- 如申請專利範圍第5項所述之檢測器，其中該分子拓印孔洞更具有一或多個苯基，以與雙酚A鍵結。
- 如申請專利範圍第1項所述之檢測器，其中該些空洞係為大小相同之球體形狀。
- 一種具光子晶體結構之檢測器，包括：一第一介質部包括一無機材料，該第一介質部具有複數個分子拓印孔洞係用於與一目標待測物質(target compound)結合，該無機材料包括矽氧化合物；和複數個第二介質部，係規則排列於該第一介質部之內部；其中，該第一介質部和該些第二介質部係構成一光子晶體結構。
- 如申請專利範圍第8項所述之檢測器，其中該第一介質部係包括一或多種無機材料，選自包括矽、鋯、鈦、鋁、和鋅之無機材所組成之群組。
- 如申請專利範圍第8項所述之檢測器，其中該第一介質部係包括一或多種無機有機交聯物質，其中無機交聯物質係選自由四丁氧基鈦(Titanium tetrabutoxide)、正鈦酸四丁酯(Tetrabutyl titanate)、四異丙醇鈦(Titanium isopropoxide)、丙基氧化鋯(Zirconium tetrapropanolate)所組成之群組。
- 如申請專利範圍第8項所述之檢測器，其中該些第二介質部係為規則排列的複數個空洞，且該些空洞係 為大小相同之球體形狀。
- 如申請專利範圍第8項所述之檢測器，其中該分子拓印孔洞更具有至少一種特定官能基，係用於與該目標待測物質結合，該特定官能基係選自由苯環(phenyl group)、胺基(amino group)、和氫氧基(hydroxyl group)所組成之群組。
- 如申請專利範圍第12項所述之檢測器，其中該些分子拓印孔洞係與雙酚A(Bisphenol A)之分子形狀對應，該分子拓印孔洞更具有一或多個苯基以與雙酚A鍵結。
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