多功能生醫檢測晶片與電化學量測

技術摘要

特色與說明

本技術之檢測晶片目前已成功應用於無酵素葡萄糖檢測、無酵素葡萄糖燃料電池開發；齒舌蘭輪斑病毒(ORSV)與喜姆比蘭嵌紋病毒(CymMV)二合一檢測、腎損傷標記蛋白NGEL檢測、COVID-19抗體與抗原檢測；大豆基改基因檢測。

目前正進行四合一蘭花病毒檢測、糖化血色素檢測等技術之開發。接續將致力於發展可攜式檢測儀器，並結合智慧手機，將檢測之數據即時性的顯示在手機上，並同步上傳至雲端。

技術強項與優勢

• 奈微米複合結構檢測晶片

  本技術之主要特色乃是具有高靈敏性、多功能、可低成本量產等三大優勢，並結合靈敏度高、檢測速度快、檢體需求量小、操作簡單之電化學技術即可達成無標記多功能檢測。

• 晶片電極製程

  晶片電極主要製程乃是以電鑄製作凹型微半球陣列鎳鈷模具，再以熱壓印將微米半球陣列結構轉換於聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜表面，接著於其表面修飾單層奈米金顆粒，形成微奈米複合結構之高靈敏性感測電極。微奈米複合結構電極即可直接應用於無酵素葡萄糖檢測與無酵素葡萄糖燃料電池之陽極；若於電極上接附抗體或抗原探針，即可作為分子檢測晶片；若將單股螺旋之DNA探針接附於電極上，即可作為DNA檢測晶片。

開放哪些合作項目

期望在晶片製作、檢測技術開發、可攜式檢測儀器開發等方面可有與相關產業合作之機會。

技術內容

本技術之奈微米複合結構電極製程如圖1 ，先以黃光微影製程結合熱熔製程與電鑄製程，製作微米半球結構陣列之鎳鈷模具，其中黃光微影與電鑄製程分別委託國研院儀科中心與慧芳精微公司進行；接續之熱壓製程則是以熱壓機將鎳鈷模具之凹型微半球陣列結構傳印成PET薄膜上之凸型微半球陣列結構，此PET熱壓製程除有極大之成本優勢，電極也因製程簡易且使用相同模具而達到品質穩定的效果；接著於PET薄膜上濺鍍一層金薄膜，再以1,6-hexanedithiol (1,6-HDT)作為聯結層，將膠體金顆粒接附於電極結構表面，形成奈/微米複合結構電極，如圖1右下角之SEM影像，膠體金顆粒可均勻接附於微半球陣列結構表面，以循環伏安法對10片晶片之電極表面進行不間斷地循環掃描，以測試不同晶片所產生的電流訊號穩定性，電流訊號差異僅±0.02mA。而均勻分布之膠體金顆粒亦有利於檢測探針之有效接附，大量提升檢測靈敏度。

研究團隊與中興大學農資學院詹富智合作開發出可同時檢測齒舌蘭輪斑與蕙蘭嵌紋病毒之高靈敏且方便田間檢測之電化學生物感測器。可檢測單一純化病毒之極限均為0.5 ng/mL，將感染病毒之葉片汁液稀釋100倍後仍可測出病毒，檢測時間約為2分鐘。與傳統檢測方法相較，本研究之檢測方法具有靈敏度高、檢測極限低、檢測時間短等優點。

研究團隊也與中興大學獸醫學院微生物與公共衛生研究所徐維莉所長合作，開發無標記檢測嗜中性白血球明膠酶相關脂質運載蛋白(NGAL)之電化學生物感測器。實驗結果顯示本研究所提出之方法可檢測NGAL濃度之線性範圍為1至1000 ng/mL，檢測極限為0.426 ng/mL，以動物醫院取樣貓之尿液檢測結果與動物醫院臨床病理檢測結果一致。相較於傳統的酵素結合免疫吸附分析法(ELISA)，本研究之方法具有不需昂貴的專業分析儀器及相關專業技術人員的操作、檢測成本低與檢測時間短(約2分鐘)等優勢。

研究團隊亦以可與CaMV 35S啟動子(P35S)互補的單股DNA作為探針，成功開發可定性和定量檢測基因改造大豆之生物感測器。實驗結果顯示本團隊所提出之方法可用於直接檢測萃取自大豆的基改基因，低百分比濃度之線性範圍為1 - 6%，換算成重量濃度(ng/L)之線性範圍與為1.792 - 19.22 ng/L，平均樣本回收率和相對標準偏差(RSD) (N = 3)，分別為102.49 - 104.01% 和2.54 - 6.24%。

研究團隊亦以奈/微米複合結構電極作為陽極，開發鹼性無酵素葡萄糖生物燃料電池(GBFC)。實驗結果顯示，研究團隊所提出的鹼性無酵素GBFC分別在室溫下具有10.7 mW / cm2的高功率密度，29.5 mA / cm2的高電流密度，0.82V的開路電壓和34mA的短路電流。電極的能量轉換效率經計算為52.47％。此GBFC具有諸如易於大規模生產，製造成本低，可重複性高以及長期保存等優點。

接續將致力於發展可攜式檢測儀器，並結合智慧手機，將檢測數據即時顯示在手機上，並同步上傳至雲端(如圖2)。

團隊簡介

計畫主持人

王國禎特聘教授

學歷︰

美國加州大學洛杉磯分校機械工程學系博士

現職︰

中興大學機械系特聘教授

經歷︰

國立中興大學工學院院長
國立中興大學生科中心副主任
國立中興大學生醫工程所所長
國立中興大學工科中心主任
國立中興大學機械系副教授
美國Dowty Aerospace系統工程師
美國3D System Inc.機械工程師

 

與本技術相關之研發計畫

• 科學園區生醫創新聚落整合推動計畫-109運用法人鏈結產學合作計畫(2020/1-2020/12)
• 無酵素血糖、血球容積比、糖化血色素整合檢測平台開發(2020/8/1~2022/7/31)
• 臺俄(RU)國合計畫－整合奈米電子、聲波電子、電化學技術之複合感測器研發及其在生物檢測之應用(2018.1-2020. 12)

獲獎紀錄

• 科技部傑出研究獎(2020)
• 未來科技突破獎之亮點技術(2020)
• 第1、2屆「國家新創獎年度續獎」(2019, 2020)
• 第15屆「國家新創獎」高靈敏齒舌蘭輪斑病毒之快篩晶片
• 第14屆「國家新創獎」精準醫療之快速檢測塵螨過敏基因
• 第13屆「國家新創獎」四項研究獲獎

技術合作聯絡人

王國禎
電話:04-22840725 x 320
Email: gjwang@dragon.nchu.edu.tw