TWI557408B - 玻璃毛細管結構及其加工方法 - Google Patents

Description

玻璃毛細管結構及其加工方法

本發明是關於一種玻璃毛細管結構及其加工方法，特別是一種製作馬赫-詹德干涉儀（MZI）感測器結構於玻璃毛細管內部之方法。

近年來隨著生物感測科技所發展出之生化感測平台需求量與日俱增，促使生化相關檢測科技產業迅速的發展，目前全球每年有數兆美元的市場價值，且隨食品、環境、化學及醫學臨床檢測的發展繼續成長。對醫藥產業及生化感測應用而言，於新藥開發、生物及食品檢測的過程中，需對於所有潛在元素的各種物理化學性質(physicochemical properties)進行分析，這些性質的分析必須在高通量(high throughput)的條件下進行，因此許多分析儀器是採用毛細電泳(capillary electrophoresis, CE)技術進行分離 。

一般常用於毛細電泳的偵測方法有吸光度偵測器、紫外光、紫外-可見光偵測器、螢光偵測器…等，然而這些光學系統較困難直接轉換製作於玻璃基材之微流體晶片系統或毛細管內，加上分析儀器的確需要偵測溶液折射率的改變，藉此變化量進行分析，因此需要引入新的光學感測技術，以測知毛細管內之溶液折射率變化，克服長久以來生化感測系統之技術瓶頸。誠如前述，目前以折射率偵測的光學設計主流技術大致分為表面電漿共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)感測器、光纖式粒子電漿共振(Fiber Optics Particles Plasmon Resonance, FO-PPR)感測器及光纖式馬赫-詹德干涉儀(Fiber Optics Mach-Zehnder Interferometer, FO-MZI)感測器，然表面電漿共振感測器及光纖式粒子電漿共振感測器此兩種折射率偵測技術皆受限於需修飾適當材料於感測元件表面來誘發光學共振，因此無法製作於毛細管內部。

本發明之主要目的在於提供一種玻璃毛細管之加工方法，其藉由製作馬赫-詹德干涉儀（MZI）感測器結構於玻璃毛細管內部，以改質玻璃毛細管內部之折射率，進而誘發光學干涉並且進行檢測。

本發明之一種玻璃毛細管之加工方法，提供一玻璃毛細管本體，該玻璃毛細管本體的管壁包含有一第一本體層、一第二本體層、一第一預改質層及一第二預改質層，該第一預改質層及該第二預改質層位於該第一本體層及該第二本體層之間，且該第一預改質層位於該第一本體層及該第二預改質層之間，該第一本體層、該第二本體層、該第一預改質層及該第二預改質層沿該玻璃毛細管本體之軸向延伸，該第一本體層、該第二本體層、該第一預改質層及該第二預改質層具有一第一折射率；對該第一預改質層進行加工，以使該第一預改質層改質為一波導層（waveguide），且該波導層具有一第二折射率；沿該玻璃毛細管本體之軸向對該第二預改質層進行加工，使該第二預改質層改質為一光導入層、一光導出層及一位於該光導入層及該光導出層之間的區隔層，該光導入層具有一第三折射率，該光導出層具有一第四折射率；以及對該波導層進行局部加工，以使該波導層之局部區段改質為一干涉區段，該干涉區段位於該第一本體層及該區隔層之間，該干涉區段包含有至少一耦合點(coupling point)，且該干涉區段具有一第五折射率，該第一折射率、該第二折射率及該第三折射率皆相異，該第二折射率及該第五折射率相異。本發明藉由對該玻璃毛細管本體內部進行改質，使該玻璃毛細管本體之該第一預改質層改質為該波導層，該第二預改質層改質為該光導入層、該光導出層、該第一光柵層、該第二光柵層，最後使該波導層之局部區段改質為該干涉區段以在該玻璃毛細管本體內部形成馬赫-詹德干涉儀(MZI)感測器結構，而得到一具新穎性之折射率感測器。

本發明之主要目的在於提供一種玻璃毛細管結構，其藉由製作馬赫-詹德干涉儀(MZI)感測器結構於玻璃毛細管內部，以改質玻璃毛細管內部之折射率，進而誘發光學干涉並且進行檢測。

本發明之一種玻璃毛細管結構，包含有一第一本體層、一相對於該第一本體層之第二本體層、一波導層、一光導入層、一相對於該光導入層之光導出層、一區隔層以及一干涉區段，該第一本體層及該第二本體層具有一第一折射率，該波導層位於該第一本體層及該第二本體層之間，該波導層具有一第二折射率，該光導入層具有一第三折射率，該波導層位於該光導入層及該第一本體層之間，該光導出層具有一第四折射率，該波導層位於該光導出層及該第一本體層之間，該區隔層位於該光導入層及該光導出層之間，該干涉區段位於該第一本體層及該區隔層之間，該干涉區段包含有至少一耦合點(coupling point)，且該干涉區段具有一第五折射率，該第一折射率、該第二折射率及該第三折射率皆相異，該第二折射率及該第五折射率相異。

請參閱第1及2A至2D圖，其係本發明之一較佳實施例，一種玻璃毛細管之加工方法包含下列步驟：首先，請參閱第1圖之步驟11及第2A圖，提供一玻璃毛細管本體110，該玻璃毛細管本體110可選自於圓形或方形，該玻璃毛細管本體110的管壁包含有一第一本體層111、一第二本體層112、一第一預改質層113及一第二預改質層114，該第一預改質層113及該第二預改質層114位於該第一本體層111及該第二本體層112之間，且該第一預改質層113位於該第一本體層111及該第二預改質層114之間，該第一本體層111具有一第一表面111a且該第一本體層111之該第一表面111a為該玻璃毛細管本體110之內側壁面，該第二本體層112具有一第二表面112a且該第二本體層112之該第二表面112a為該玻璃毛細管本體110之外側壁面，該第一本體層111、該第二本體層112、該第一預改質層113及該第二預改質層114沿該玻璃毛細管本體110之軸向X延伸，該第一本體層111、該第二本體層112、該第一預改質層113及該第二預改質層114具有一第一折射率。

接著，請參閱第1圖之步驟12及第2B圖，對該第一預改質層113進 行加工，以使該第一預改質層113改質為一波導層113a(waveguide)，且該波導層113a具有一第二折射率，在本實施例中，對該第一預改質層113進行加工之步驟中係利用一飛秒雷射機台(圖未繪出)對該第一預改質層113進行脈衝累積熱效應(thermal effect accumulated across pulses)加工，使得該波導層113a之該第二折射率與未進行改質前之該第一預改質層113的該第一折射率之間具有差異，較佳的，該第二折射率大於該第一折射率，使光線可於該波導層113a中產生全反射以傳遞光線。

之後，請參閱第1圖之步驟13及第2C圖，沿該玻璃毛細管本體之軸向對該第二預改質層114進行加工，以使該第二預改質層114改質為一光導入層114a、一光導出層114b及一位於該光導入層114a及該光導出層114b之間的區隔層114c，在本實施例中，該區隔層114c為該第二預改質層114未改質的區域，該區隔層114c用以區隔該光導入層114a及該光導出層114b。

在本實施例中，使該第二預改質層114改質為該光導入層114a時，可同時形成一第一光柵層114d於該區隔層114c及該光導入層114a之間，且該第一光柵層114d及該光導入層114a之間具有一第一間距D1，或者，在不同實施例中，使該第二預改質層114改質為該光導入層114a時，該光導入層114a即可為柵欄型態，以使光線可更容易的由該光導入層114a及該第一光柵結構114d導入該波導層113a中。

在本實施例中，使該第二預改質層114改質為該光導出層114b時，可同時形成一第二光柵層114e於該區隔層114c及該光導出層114b之間，且該第二光柵層114e及該光導出層114b之間具有一第二間距D2，或者，在不同實施例中，使該第二預改質層114改質為該光導出層114b時，該光導出層114b即可為柵欄型 態，以使光線可更容易的由該波導層113a經由該光導出層114b及該第二光柵結構114e導出。

在本實施例中，該光導入層114a連接該波導層113a，且該光導出層114b亦連接該波導層113a，較佳地，該光導入層114a及該第一光柵層114d形成為一維微奈米週期性結構(transmission grating)，且該光導出層114b及該第二光柵層114e亦形成為一維微奈米週期性結構(transmission grating)，在本實施例中，對該第二預改質層114進行加工之步驟中係利用一飛秒雷射機台(圖未繪出)對該第二預改質層114進行雙光束干涉加工(Two-Laser Beam Interference Technique)，該光導入層114a具有一第三折射率，該光導出層114b具有一第四折射率，該區隔層114c具有一第六折射率，該第六折射率與該第一折射率相同，其中該光導入層114a之該第三折射率與該波導層113a之該第二折射率相異，該光導出層114b之該第四折射率與該波導層113a之該第二折射率相異。

最後，請參閱第1圖之步驟14及第2D圖，對該波導層113a進行局部加工，以使該波導層113a之局部區段改質為一干涉區段115以形成一具有馬赫-詹德干涉儀(MZI)感測器結構之玻璃毛細管100，該干涉區段115位於該第一本體層111及該區隔層114c之間，該干涉區段115包含有至少一耦合點115a(coupling point)且該干涉區段115具有一第五折射率，該第五折射率與該波導層113a之該第二折射率相異，在本實施例中，對該波導層113a進行局部加工之步驟中係利用一飛秒雷射機台(圖未繪出)對該波導層113a之局部區段進行脈衝累積熱效應或雙光束干涉加工。

由於馬赫-詹德干涉儀(MZI)感測器之特徵在於利用光學分光元件或結構將入射光***為多道光束，當多道光束傳播於不同路徑，再以光學耦光元件或結構將之重合後，各光束間產生光程差(different optical paths)，而形成干涉現象，即可對待測物進行檢測，因此本發明藉由於該玻璃毛細管本體110內部進行改質，使該玻璃毛細管本體110之該第一本體層111與該第二本體層112之間的該第一預改質層113改質為該波導層113a，及使該第二預改質層114改質為該光導入層114a、該光導出層114b、該第一光柵層114d、該第二光柵層114e，最後使該波導層113a之局部區段改質為該干涉區段115以在該玻璃毛細管本體110內部形成馬赫-詹德干涉儀（MZI）感測器結構，以使藉由該玻璃毛細管100之加工方法所製得之玻璃毛細管100成為具新穎性之折射率感測器。

請再參閱第2D圖，其係本發明之玻璃毛細管之加工方法所製得之一種玻璃毛細管100，其包含有一第一本體層111、一第二本體層112、一波導層113a、一光導入層114a、一光導出層114b、一區隔層114c以及一干涉區段115，該波導層113a、該光導入層114a、該光導出層114b及該區隔層114c位於該第一本體層111及該第二本體層112之間，且該波導層113a位於該第一本體層111、該光導入層114a、該光導出層114b及該區隔層114c之間，且該光導入層114a連接該波導層113a，該光導出層114b亦連接該波導層113a，該區隔層114c位於該光導入層114a及該光導出層114b之間，該干涉區段115位於該第一本體層111及該區隔層114c之間，且該干涉區段115包含有至少一耦合點115a（coupling point）。

該第一本體層111及該第二本體層112具有一第一折射率，該波導層113a具有一第二折射率，該光導入層114a具有一第三折射率，該光導出層114b具有一第四折射率，該區隔層114c具有一第六折射率，該第一折射率與該第六折射率相同，且該干涉區段115具有一第五折射率，該第一折射率、該第二折射率及該第三折射率皆相異，該第二折射率與該第五折射率相異，該第二折射率及該第四折射率相異。

在本實施例中，該玻璃毛細管100另包含有一第一光柵層114d及一第二光柵層114e，該第一光柵層114d形成於該區隔層114c及該光導入層114a之間，且該光導入層114a及該第一光柵層114d形成為一維微奈米週期性結構（transmission grating），該第二光柵層114e形成於該區隔層114c及該光導出層114b之間，且該光導出層114b及該第二光柵層114e形成為一維微奈米週期性結構（transmission grating），該第一光柵層114d及該光導入層114a之間具有一第一間距D1，該第二光柵層114e及該光導出層114b之間具有一第二間距D2。

請參閱第3圖，其為本發明之該玻璃毛細管100實際應用於毛細電泳架構之示意圖，該玻璃毛細管100的一端設置於一第一容器C1中，該玻璃毛細管100的另一端設置於一第二容器C2中，且該第一容器C1、該玻璃毛細管100及該第二容器C2中皆設置有電解液S，並利用一電源供應器E分別於該第一容器C1及該第二容器C2中施加正電壓及負電壓，使待測樣品能於電解液中受到電動力的牽引游離，並通過一偵測裝置B，以進行待測樣品之分析檢測。

請參閱第4圖，其為待測樣品通過該偵測裝置B時，光於該玻璃毛細管100內部之路徑及感測原理示意圖，光由該玻璃毛細管100通過時，光由該光導入層114a及該第一光柵層114d所形成之一維微奈米週期性結構入射時，其n階(n=1、2、3…)繞射光之繞射角度若滿足該波導層113a之全反射條件，其繞射模態可於該波導層113a內傳播，當傳播於該波導層113a的模態通過該干涉區段115中之一耦合點115a(coupling point)時，部份模態被耦合至該玻璃毛細管100內傳播，當經過該干涉區段115中之另一耦合點115b時，於該第一本體層111內傳播的模態又被耦合回該波導層113a，形成光程差而產生干涉現象，當此干涉光通過該光導出層114b及該第二光柵層114e所形成之一維微奈米週期性結構(transmission grating)時，其繞射模態恰好滿足波導層113a的洩漏模態(leakage mode)，因此可由一光譜分析儀A得到干涉條紋之反射光譜，藉此進行折射率檢測。

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，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

11‧‧‧提供玻璃毛細管本體
12‧‧‧對第一預改質層進行加工
13‧‧‧對第二預改質層進行加工
14‧‧‧對波導層進行局部加工
100‧‧‧玻璃毛細管結構
110‧‧‧玻璃毛細管本體
111‧‧‧第一本體層
111a‧‧‧第一表面
112‧‧‧第二本體層
112a‧‧‧第二表面
113‧‧‧第一預改質層
113a‧‧‧波導層
114‧‧‧第二預改質層
114a‧‧‧光導入層
114b‧‧‧光導出層
114c‧‧‧區隔層
114d‧‧‧第一光柵層
114e‧‧‧第二光柵層
115‧‧‧干涉區段
115a‧‧‧耦合點
115b‧‧‧另一耦合點
A‧‧‧光譜分析儀
B‧‧‧偵測裝置
C1‧‧‧第一容器
C2‧‧‧第二容器
E‧‧‧電源供應器
S‧‧‧電解液
D1‧‧‧第一間距
D2‧‧‧第二間距
X‧‧‧軸向

第1圖：依據本發明之一實施例，一種玻璃毛細管之加工方法之流程圖。

第2A至2D圖：依據本發明之一實施例，玻璃毛細管之管壁截面示意圖。

第3圖：依據本發明之一實施例，一種毛細電泳架構示意圖。

第4圖：依據本發明之一實施例，光於該毛細電泳架構之路徑及感測原理示意圖。

100‧‧‧玻璃毛細管

111‧‧‧第一本體層

111a‧‧‧第一表面

112‧‧‧第二本體層

112a‧‧‧第二表面

113a‧‧‧波導層

114a‧‧‧光導入層

114b‧‧‧光導出層

114c‧‧‧區隔層

114d‧‧‧第一光柵層

114e‧‧‧第二光柵層

115‧‧‧干涉區段

115a‧‧‧耦合點

Claims (21)

1. 一種玻璃毛細管結構，其包含： 一第一本體層； 一相對於該第一本體層之第二本體層，該第一本體層及該第二本體層具有一第一折射率； 一波導層（waveguide），其位於該第一本體層及該第二本體層之間，該波導層具有一第二折射率； 一光導入層，其具有一第三折射率，該波導層位於該光導入層及該第一本體層之間； 一相對於該光導入層之光導出層，其具有一第四折射率，該波導層位於該光導出層及該第一本體層之間； 一區隔層，該區隔層位於該光導入層及該光導出層之間；以及 一干涉區段，其位於該第一本體層及該區隔層之間，該干涉區段包含有至少一耦合點（coupling point），且該干涉區段具有一第五折射率，該第一折射率、該第二折射率及該第三折射率皆相異，該第二折射率及該第五折射率相異。
2. 如申請專利範圍第1項所述之玻璃毛細管結構，其中該區隔層具有一第六折射率，該第一折射率與該第六折射率相同。
3. 如申請專利範圍第1項所述之玻璃毛細管結構，其中該光導入層連接該波導層。
4. 如申請專利範圍第1項所述之玻璃毛細管結構，其中該光導出層連接該波導層。
5. 如申請專利範圍第1項所述之玻璃毛細管結構，其另包含有一第一光柵層，該第一光柵層形成於該區隔層及該光導入層之間，且該第一光柵層及該光導入層之間具有一第一間距。
6. 如申請專利範圍第1項所述之玻璃毛細管結構，其另包含有一第二光柵層，該第二光柵層形成於該區隔層及該光導出層之間，且該第二光柵層及該光導出層之間具有一第二間距。
7. 如申請專利範圍第5項所述之玻璃毛細管結構，其中該光導入層及該第一光柵層形成為一維微奈米週期性結構（transmission grating）。
8. 如申請專利範圍第6項所述之玻璃毛細管結構，其中該光導出層及該第二光柵層形成為一維微奈米週期性結構（transmission grating）。
9. 如申請專利範圍第1項所述之玻璃毛細管結構，其中該波導層之該第二折射率及該光導出層之該第四折射率相異。
10. 一種玻璃毛細管之加工方法，其包含： 提供一玻璃毛細管本體，該玻璃毛細管本體的管壁包含有一第一本體層、一第二本體層、一第一預改質層及一第二預改質層，該第一預改質層及該第二預改質層位於該第一本體層及該第二本體層之間，且該第一預改質層位於該第一本體層及該第二預改質層之間，該第一本體層、該第二本體層、該第一預改質層及該第二預改質層沿該玻璃毛細管本體之軸向延伸，該第一本體層、該第二本體層、該第一預改質層及該第二預改質層具有一第一折射率； 對該第一預改質層進行加工，以使該第一預改質層改質為一波導層（waveguide），且該波導層具有一第二折射率； 沿該玻璃毛細管本體之軸向對該第二預改質層進行加工，使該第二預改質層改質為一光導入層、一光導出層及一位於該光導入層及該光導出層之間的區隔層，該光導入層具有一第三折射率，該光導出層具有一第四折射率；以及 對該波導層進行局部加工，以使該波導層之局部區段改質為一干涉區段，該干涉區段位於該第一本體層及該區隔層之間，該干涉區段包含有至少一耦合點（coupling point），且該干涉區段具有一第五折射率，該第一折射率、該第二折射率及該第三折射率皆相異，該第二折射率及該第五折射率相異。
11. 如申請專利範圍第10項所述之玻璃毛細管之加工方法，其中該區隔層具有一第六折射率，該第一折射率與該第六折射率相同。
12. 如申請專利範圍第10項所述之玻璃毛細管之加工方法，其中該光導入層連接該波導層。
13. 如申請專利範圍第10項所述之玻璃毛細管之加工方法，其中該光導出層連接該波導層。
14. 如申請專利範圍第10項所述之玻璃毛細管之加工方法，其中對該第二預改質層進行加工，以使該第二預改質層改質為該光導入層時，同時形成一第一光柵層於該區隔層及該光導入層之間，且該第一光柵層及該光導入層之間具有一第一間距。
15. 如申請專利範圍第10項所述之玻璃毛細管之加工方法，其中對該第二預改質層進行加工，以使該第二預改質層改質為該光導出層時，同時形成一第二光柵層於該區隔層及該光導出層之間，且該第二光柵層及該光導出層之間具有一第二間距。
16. 如申請專利範圍第14項所述之玻璃毛細管之加工方法，其中該光導入層及該第一光柵層形成為一維微奈米週期性結構（transmission grating）。
17. 如申請專利範圍第15項所述之玻璃毛細管之加工方法，其中該光導出層及該第二光柵層形成為一維微奈米週期性結構（transmission grating）。
18. 如申請專利範圍第10項所述之玻璃毛細管之加工方法，其中該波導層之該第二折射率及該光導出層之該第四折射率相異。
19. 如申請專利範圍第10項所述之玻璃毛細管之加工方法，其中對該第一預改質層進行加工之步驟中係利用一飛秒雷射機台對該第一預改質層進行脈衝累積熱效應(thermal effect accumulated across pulses)加工。
20. 如申請專利範圍第10項所述之玻璃毛細管之加工方法，其中對該第二預改質層進行加工之步驟中係利用一飛秒雷射機台對該第二預改質層進行雙光束干涉加工(Two-Laser Beam Interference Technique)。
21. 如申請專利範圍第10項所述之玻璃毛細管之加工方法，其中對該波導層進行局部加工之步驟中係利用一飛秒雷射機台對該波導層之局部區段進行脈衝累積熱效應或雙光束干涉加工。