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研究生: 廖子淳
Tzu-Chun Liao
論文名稱: 利用表面電漿波(SPR)原理探測生物細胞
指導教授: 葉哲良
J. Andrew Yeh
口試委員:
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 動力機械工程學系
Department of Power Mechanical Engineering
論文出版年: 2004
畢業學年度: 92
語文別: 中文
論文頁數: 55
中文關鍵詞: 表面電漿共振細胞
外文關鍵詞: Surface Plasmon Resonance
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  • 表面電漿共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)現象,被發現已經有近一百年的歷史,而近幾年來,隨著生物醫學的發展,這項技述更是被廣泛的應用在生物檢測的範圍內,由於它對於不同折射率高靈敏度的特性,因此,常常被用來檢測生物體產生化學反應與否,目前,已有檢測抗體和抗原的商用儀器被研發出來。本文則是利用表面電漿共振的性質,期待利用它對折射率的高靈敏度特性,來鑑別不同種類的細胞,已達到快速的檢驗同在一種溶液中不同細胞種類的目的。
    關於激發表面電漿共振現象的方式很多,包括了ATR(Attenuated Total Reflection)組態、利用光纖、光波導及光柵的方式,最先被利用的是ATR組態,而後三種方式,則是為了要改善系統的解析度或是為了縮小整個系統所做的設計。
    本文主要是用一個較簡單的系統:在一個稜鏡上,放上ㄧ片已經鍍上50nm金膜的玻璃,再於金膜上放上待測物,也就是利用傳統的ATR組態做為本實驗的架構,本文先對於空氣(n=1.0)、水(n=1.33)、單一種類細胞三種物質作檢測,比較它們之間表面電漿共振現象的差異,並和C語言的模擬結果做比對, 目前已可以量測出單一種類細胞的細胞膜和空氣之間的差異,並可以辨識出是溶液產生的效應或是細胞產生的效應。


    目錄 摘要……………………………………………………………………II 致謝 …………………………………………………………………III 目錄……………………………………………………………………IV 圖目錄…………………………………………………………………VI 表目錄…………………………………………………………………XI 第一章 前言 …………………………………………………………1 1.1 研究動機…………………………………………………………1 1.2 研究目的…………………………………………………………2 1.3 文獻回顧…………………………………………………………3 1.4 本文結構…………………………………………………………5 第二章 實驗理論和架構 …………………………………………6 2.1 基本理論 ………………………………………………………6 2.1.1 表面電漿子 …………………………………………………6 2.1.2 ATR(Attenuated Total Reflection)組態 ………………9 2.1.3 三層模式(Three-Layer Model) …………………………11 2.2 實驗系統架設 …………………………………………………12 2.2.1 系統架設流程………………………………………………12 2.3 實驗模擬和分析 ………………………………………………15 2.3.1 金屬膜選擇…………………………………………………15 2.3.2稜鏡選擇 ……………………………………………………17 2.3.3 45度稜鏡分析………………………………………………17 2.3.4 60度稜鏡分析………………………………………………18 2.3.5 BK7稜鏡實驗模擬和分析 …………………………………19 2.3.6 角度分析……………………………………………………23 2.3.7 SF18稜鏡實驗模擬和分析…………………………………24 2.3.8多層結構折射分析 …………………………………………28 2.3.9 吸收頻譜分析 ………………………………………………29 2.3.10 誤差分析 …………………………………………………30 2.3.11 分析總結 …………………………………………………32 第三章 成果和討論 ……………………………………………34 3.1 量測成果 ………………………………………………………34 3.1.0 量測方式 …………………………………………………34 3.1.1 BK7玻片金膜厚度 …………………………………………34 3.1.2 BK7稜鏡量測 ……………………………………………37 3.1.3 SF11玻片金膜厚度 ………………………………………39 3.1.4 SF18稜鏡量測 ……………………………………………41 3.2 實驗結果分析與討論……………………………………………46 3.2.1 金膜厚度 …………………………………………………46 3.2.2 量測結果分析 ……………………………………………48 3.3 結論 ………………………………………………………………51 參考文獻 ………………………………………………………………53 圖目錄 圖1.1 細菌 ……………………………………………………………3 圖1.2 ATR組態 …………………………………………………………4 圖1.3 光波導形式………………………………………………………4 圖1.4 光纖形式…………………………………………………………5 圖2.1光入射於一平面…………………………………………………6 圖2.2 ATR組態之一:Otto形式………………………………………10 圖2.3 ATR組態之一:Kretschmann-Raether形式…………………10 圖2.4 系統架構示意圖 ………………………………………………13 圖2.5 稜鏡-樣本的詳細結構…………………………………………13 圖2.6實驗設備 ………………………………………………………14 圖2.7稜鏡和金膜 ……………………………………………………15 圖2.8 反射鏡 …………………………………………………………15 圖2.9 各種金屬膜的模擬圖 …………………………………………16 圖2.10 金膜厚度模擬圖………………………………………………16 圖2.11 BK7 45度稜鏡示意圖I………………………………………17 圖2.12 BK7 45度稜鏡示意圖II ……………………………………17 圖2.13 BK7 60度稜鏡示意圖I ……………………………………18 圖2.14 BK7 60度稜鏡示意圖II ……………………………………18 圖 2.15 空氣的SPR模擬圖(BK7) ……………………………………20 圖 2.16 水的SPR模擬圖(BK7) ………………………………………21 圖 2.17 生物細胞的模擬圖(BK7) …………………………………22 圖 2.18 鏡子轉動角 …………………………………………………23 圖 2.19 角度分析I……………………………………………………23 圖 2.20 角度分析II …………………………………………………23 圖 2.21 空氣的SPR模擬圖(SF18) …………………………………25 圖 2.22 水的SPR模擬圖(SF18) ……………………………………26 圖 2.23 生物細胞的SPR模擬圖(SF18) ……………………………27 圖 2.24多層結構示意圖 ……………………………………………28 圖2.25 各種玻璃材質的頻譜…………………………………………29 圖2.26 金膜(橘色線)的頻譜 ………………………………………29 圖2.27 誤差分析………………………………………………………30 圖3.1 BK7稜鏡空氣模擬(fitting)圖,金膜厚度40nm………………35 圖3.2 BK7稜鏡空氣模擬(fitting)圖,金膜厚度50nm……………36 圖3.3 BK7稜鏡空氣模擬(fitting)圖,金膜厚度60nm……………36 圖3.4 空氣量測成果 …………………………………………………37 圖3.5 水量測成果 ……………………………………………………38 圖3.6 SF18稜鏡空氣模擬(fitting)圖,金膜厚度40nm …………39 圖3.7 SF18稜鏡空氣模擬(fitting)圖,金膜厚度50nm …………40 圖3.8 SF18稜鏡空氣模擬(fitting)圖,金膜厚度60nm …………40 圖3.9 樣本為空氣時的模擬(fitting)與量測圖……………………42 圖3.10 待測物為水時的模擬(fitting)與量測圖 …………………43 圖3.11 待測物為酒精醋酸混合液時的模擬(fitting)與量測圖 …44 圖3.12 樣本為無水細胞時的模擬(fitting)與量測圖 ……………45 圖3.13 純空氣和無水細胞量測結果比較 …………………………46 圖3.14 金膜厚度和共振現象關係圖 ………………………………47 圖3.15 金膜厚度不夠導致的現象 …………………………………47 圖3.16 鍍於稜鏡上的金膜 …………………………………………48 圖3.17 細胞分布圖……………………………………………………50 圖3.18 細胞分布圖(黑白)……………………………………………50 表目錄 表 2.1 折射率和角度對應……………………………………………31

    參考文獻
    [1] 陳嘉芬 編著,“細胞生物學,” 藝軒出版社
    [2] A. V. Kabashin, et al., “Surface plasmon resonance interferometer for bio- and chemical- sensors,” Opt. Comm., Vol. 150, pp5-8 (1998)
    [3] K. Matsubara, et al., “A compact surface plasmon resonance sensor for measurement of water in process,” Appl. Spectrosc., Vol. 42, pp1375 (1988)
    [4] J. J. Cowan, et al., “Dispersion of surface plasmon in multiple metal and dielectric layers on concave diffraction gratings,” Phys. Stat. Sol., Vol. 1, pp695 (1988)
    [5] A. Hanning, et al., ”Enhanced sensitivity of wavelength modulated surface plasmon resonance devices using dispersion from a dye solution,” Sensors and Actuators B, Vol. 54, pp25-36 (1999)
    [6] S. R. Karlsen, et al., ”Simultaneous determination of refractive index and absorbance spectra of chemical samples using surface plasmon resonance,” Sensors and Actuators B, Vol. 24-25, pp747-749 (1995)
    [7] X. Caide, et al., ”Characterization of surface plasmon resonance biosensor,” Sensors and Actuators B, Vol. 66, pp174-177 (2000)
    [8] G. Steiner, et al., “Surface plasmon resonance imaging of microstructured monolayers,” Journal of Molecular Structure, Vol. 509, pp265-273 (1999)
    [9] J. Homola, et al., ”A novel mutichannel surface plasmon resonance biosensor,” Sensor and Actuators B, Vol. 76, pp403-410 (2001)
    [10] C. P. Cahill, et al., “A surface plasmon resonance sensor probe based on retro-reflection,” Sensors and Actuators B, Vol. 45, pp161-166 (1997)
    [11] J. Melendez, et al., “A commercial solution for surface plasmon sensoring,” Sensors and Actuators B, Vol. 35-36, pp212-216 (1996)
    [12] R. D. Harris, et al., “Wavegiude surface plasmon resonance sensors,” Sensors and Actuators B, Vol. 29, pp261-267 (1995)
    [13] A. J. C. Tubb, et al., “Single-mode optical fibre surface plasma wave chemical sensor,” Sensors and Actuators B, Vol. 41, pp71-79 (1997)
    [14] R. W. Wood, “On remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating spectrum,” Phil. Mag. ,Vol. 4, pp396-342 (1902)
    [15] A. Otto, “Excitation of nonradiative surface plasma waves insilver by the method of frustrated total reflection,” Z. Phys., Vol. 216, pp398-410 (1968)
    [16] E. Kretchmann, ”Die bestimmung optischer Konstanten von Metallen durch Anregung von Oberflachenplasaschwingungen,” Z. Phys., Vol. 241, pp313-324 (1971)
    [17] E. Kretchmann, “ Die bestimmung der optischen Konstanten dunner Schichten in der Nahe der Plasmafrequenz aus Kurvenfeldern konstanter Transmission”, Z. Phys. Vol. 221, pp346-356 (1971)
    [18] W.C. Kuo, et al., “Optical heterodyne surface-plasmon resonance biosensor,” Optics letters, Vol. 28, pp1329-1331 (2003)
    [19] H. E. de Bruijn, et al., “Determination of dielectric permittivity and thickness of a metal layer from a surface plasmon resonance experiment,” A. Optics, Vol. 29, pp1974-1978 (1990)
    [20] E. Hutter, et al., “Surface plasmon resonance method for probing interactions in nanostructures: CdS nanoparticles linked to Au and Ag substrates by self-assembled hexanedithiol and aminoethanethiol,” Journal of Applied Physics, Vol. 90, pp1977-1985 (2001)
    [21] M. Yamamoto, “Surface Plasmon Resonance(SPR) Theory:Tutorial,” Review of Polarography, Vol. 48, pp209-236 (2002)
    [22] C. Kittel. “Introduction to solid State Physics, 7th edition”, Wiley, New York (1996)
    [23] J. S. Maier, et al., “Possible correlation between blood glucose concentration and the reduced scattering coefficient of tissues in the near infrared,” Optics Letters, Vol. 19, pp2062-2065 (1994)
    [24] X. Wang, et al., “Liquid-crystal blazed-grating beam deflector,” Apply Phys. Lett., Vol. 50, pp6545-6555 (1987)
    [25] Z. Salamon, et al., “Plasmon Resonance Studies of Agonist/Antagonist Binding to the Human d-Opioid Receptor: New Structural Insights into Receptor-Ligand Interactions,” Biophysical Journal, Vol. 79, pp2463–2474 (2000)
    [26] M. N. Weiss, et al., “A theoretical investigation of environmental monitoring using surface plasmon resonance waveguide sensors,” Sensors and Actuators A, Vol. 51, pp211-217 (1996)
    [27] Z. Salamon, et al., ”Plasmon resonance spectroscopy: probing molecular interactions within membranes,” TIBS 24 – JUNE 1999, pp213-219
    [28] A. Hanning , et al., ”Enhanced sensitivity of wavelength modulated surface plasmon resonance devices using dispersion from a dye solution,” Sensors and Actuators B, Vol. 54, pp25–36 (1999)
    [29] R. Slavı´k, et al., ”Miniaturization of fiber optic surface plasmon resonance sensor,” Sensors and Actuators B, Vol. 51, pp311–315 (1998)
    [30] T. Akimoto, et al., ” Estimation of sensitivity for refractive index and immunoreaction in a surface plasmon resonance sensor probe,” Analytica Chimica Acta, Vol. 417, pp125–131 (2000)
    [31] R. Slavı´k , et al., “Single-mode optical fiber surface plasmon resonance sensor”, Sensors and Actuators B, Vol. 54, pp74–79 (1999)
    [32] J. Homola , et al., “Surface plasmon resonance sensors based on diffraction gratings and prism couplers: sensitivity comparison,” Sensors and Actuators B, Vol. 54, pp16-24 (1999)
    [33] 陳光鑫等,”光電子學,” 全華出版社

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