生物感測器簡介

刊登日期:2013/12/12
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種類介紹
在線性結果方面,為了使測量數據準確,常須做校正回歸,若無線性化或一致性的規則,將無法由所得數據準確得知待測物的含量。在靈敏度方面,由於生物性樣品的含量通常極低,故須設計高靈敏度的感測器或將訊號放大處理以方便辨識。而由於生物性樣品的背景值一般較為複雜,例如血液含有血球、蛋白質、醣類、抗體、金屬離子等多種物質,若僅想了解血糖含量,則感測器必須經特殊設計使針對血糖有選擇性反應,而不與其他物質作用造成偽反應。


圖三、生物感測器構件

電化學法生物感測器
電化學生物感測器結合了生物的感測層特異性,以及電化學的靈敏、微型、線性反應、反應時間短等優點,將生物或化學感測結果轉成電子訊號,且此訊號強度與分析物濃度成正比,一般可分為電流式、電位式、電導式三種。

由於糖尿病的普及和危害,將血糖控制在80~120 mg/dL是極重要的,因此目前應用最廣的電化學生物感測器應為血糖計,最早的血糖計即為前述的Pro. Clark於1962年在辛辛那提兒童醫院所發展的電流式葡萄糖酵素電極,它依賴一通過半透透析膜包埋於氧電極的葡萄糖氧化酶薄層來進行偵測,訊號是由氧氣在酵素催化下的消耗量決定,並由加在白金陰極的負電壓進行反應來偵測其消耗程度。

螢光法生物感測器
螢光法是以特定波長且能量集中的短波長光束(如Laser)來激發與待測物相連接的螢光團,螢光分子吸收此波長之能量後,產生能階躍遷,接著散射出較長波長的放射光回到穩定態,藉由測量此放光強度,即可得知待測物的含量與濃度。由於螢光具放大訊號功能,在靈敏度上有較佳的表現;而此法常用抗體、抗原或DNA等親和反應物質來做專一性辨識與鍵結。


圖六、螢光法示意

奈米管場效電晶體生物感測器
近年來結合電化學、微電子學和奈米技術產生的奈米線場效電晶體所製作之生物感測器,因具有極高靈敏度與選擇性,且擁有無需標記修飾便可即時測量的特性,在近期的生醫檢測應用上,引起相當廣大的關注與期待。常見的奈米管生物感測器有利用一維半導體奈米材料所研發而成的矽奈米線(Silicon Nanowire; SiNW)及奈米碳管(Carbon Nanotube; CNT)。

以矽奈米線場效電晶體(SiNW-FET)為例,一般之設計包括三電極系統:源極(Source; S)、汲極(Drain; D)和閘極(Gate; G)。其中源極和汲極是以半導體通道做為架橋,閘極則是負責調控通道之電導(Conductance);接著,在矽奈米線的表面修飾上特定的受體(Receptor)做為感測元件,此受體可為抗體。當系統暴露於含有待測物,如蛋白質、DNA、RNA等溶液環境中時,待測物會與受體結合於SiNW-FET表面,此時生物分子所帶電荷形成的電場,便會影響SiNW-FET內之電子或電洞數目,進而引發電導度的上升或下降。

生物晶片
生物晶片的概念起源於二十世紀後期,廣義地說,生物晶片是指在玻璃、矽片、塑膠等不同材質上,利用微電子、微機械等技術來製成應用於生物分析的產品。待測分析物可為基因……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文

作者:周子琪、邱國創 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌324期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=11522


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