CN101961240B - 生物传感器、探针、感测设备以及生物传感器制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于检测脑中的多巴胺浓度的生物传感器及其制作方法，该生物传感器包含纳米线场效应晶体管、连接官能基以及测试基。该纳米线场效应晶体管具有纳米线，该连接官能基则连接该纳米线。该测试基连接于该连接官能基上，并且其可用以连接至少一种多巴胺。当该测试基连接该至少一种多巴胺时，该纳米线场效应晶体管可根据该至少一种多巴胺的数量产生感测信号。本发明的生物传感器能够精确地感测脑中的多巴胺浓度，因此可用于脑探针等需要精确测量的仪器中。本发明还提供了用于检测脑中多巴胺浓度的探针和用于检测脑中多巴胺浓度的感测设备。

Description

生物传感器、探针、感测设备以及生物传感器制作方法

技术领域

本发明涉及一种用以感测脑中多巴胺浓度的生物传感器、探针以及感测设备，本发明还涉及一种利用纳米线场效应晶体管构成的生物传感器和感测设备，以及生物传感器的制作方法。

背景技术

人类的脑中具有高达1兆个神经细胞，其间以复杂的神经网络互相连结，并且各神经细胞之间以化学分子作为信息的传导媒介。其中，多巴胺是一种控制大脑功能，例如动作、情绪以及高等认知能力，的重要神经传导物质。

根据研究所得，脑中的多巴胺浓度不足会令人失去控制肌肉的能力，严重者可能会导致帕金森式症。相反地，若多巴胺浓度过高也可能令患者产生幻觉、妄想、烦躁甚至强迫症。因此，脑中的多巴胺浓度需维持在正常范围内，否则将可能产生上述病症。

因此，脑中的多巴胺浓度的测量为疾病防治以及脑部研究不可或缺的一环。在现有技术中，已经披露了一种使用3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷以及离子敏感性场效应晶体管的多巴胺传感器。然而，离子选择性的场效应晶体管的灵敏度并不高(测量范围约为1μM)，并且由于脑中的多巴胺浓度较低，因此，离子选择性的场效应晶体管并无法准确地反映脑中多巴胺浓度的变化。

因此，有必要设计一种具有较高灵敏度的多巴胺浓度生物传感器。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种生物传感器以准确感测多巴胺浓度，以解决上述问题。

根据一个具体实施例，本发明的生物传感器包含纳米线场效应晶体管、连接官能基以及测试基。其中，纳米线场效应晶体管上具有纳米线，官能基则连接于纳米线上，并且测试基连接于连接官能基上。测试基可用以连接多巴胺，纳米线场效应晶体管可根据测试基连接多巴胺的数量产生感测信号。

在一种实施方式中，本发明的生物传感器中的连接官能基为3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷。

在一种实施方式中，本发明的生物传感器中的测试基为4-羟基苯硼酸。

在一种实施方式中，本发明的生物传感器中的纳米线场效应晶体管进一步包含：基板；介电层，覆盖于该基板上；以及支撑结构，设置于介电层上，该纳米线设置于该支撑结构的侧边以及该介电层之上。

本发明的另一目的在于提供一种探针，可精准地检测脑中的多巴胺浓度，以解决现有技术的问题。

根据一个具体实施例，本发明的探针包含探针本体以及生物传感器，其中生物传感器设置于探针本体的针尖上并通过针尖电连接探针本体。生物传感器可包含纳米线场效应晶体管、连接官能基以及测试基，其中，连接官能基连接于纳米线场效应晶体管的纳米线上，并且测试基连接于连接官能基上。

在本具体实施例中，测试基可用以连接多巴胺，纳米线场效应晶体管则可根据测试基连接多巴胺的数量产生感测信号。在实际应用中，纳米线场效应晶体管所产生的感测信号可通过针尖以及探针本体传送至外部电子装置以进行感测。因此，本具体实施例的探针可用来感测脑中的多巴胺浓度。

在一种实施方式中，本发明的探针中的生物传感器中的连接官能基为3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷。

在一种实施方式中，本发明的探针中的生物传感器中的测试基为4-羟基苯硼酸。

在一种实施方式中，本发明的探针中的生物传感器中的纳米线场效应晶体管进一步包含：基板；介电层，覆盖于该基板上；以及支撑结构，设置于介电层上，该纳米线设置于该支撑结构的侧边以及该介电层之上。

本发明的另一目的在于提供一种感测设备，可精准地检测脑中的多巴胺浓度，以解决现有技术的问题。

根据一个具体实施例，本发明的感测设备包含探针、生物传感器以及数据处理装置。生物传感器设置于探针的针尖上，并且探针连接到数据处理装置上。

在本具体实施例中，生物探测器包含纳米线场效应晶体管、连接官能基以及测试基，其中连接官能基连接至纳米线场效应晶体管上的纳米线，并且测试基连接至连接官能基上。测试基可用以连接脑中的多巴胺。当测试基连接多巴胺时，纳米线场效应晶体管可根据测试基所连接的多巴胺数量产生感测信号，并通过探针将感测信号传送至数据处理装置，接着数据处理装置可根据感测信号判断脑中的多巴胺浓度。

在一种实施方式中，本发明的感测设备中的生物传感器中的连接官能基为3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷。

在一种实施方式中，本发明的感测设备中的生物传感器中的测试基为4-羟基苯硼酸。

在一种实施方式中，本发明的感测设备中的生物传感器中的纳米线场效应晶体管进一步包含：基板；介电层，覆盖于该基板上；以及支撑结构，设置于介电层上，该纳米线设置于该支撑结构的侧边以及该介电层之上。

在一种实施方式中，本发明的感测设备进一步包含连接于该数据处理装置的警示装置，当该数据处理装置判断该多巴胺浓度高于第一默认值时发送第一控制信号，并且该警示装置根据该第一控制信号发送第一警示信号。

在一种实施方式中，本发明的感测设备进一步包含连接于该数据处理装置的警示装置，当该数据处理装置判断该多巴胺浓度低于第二默认值时发送第二控制信号，并且该警示装置根据该第二控制信号发送第二警示信号。

在一种实施方式中，本发明的感测设备，进一步包含连接于该数据处理装置的回馈装置，该数据处理装置根据所判断出的该多巴胺浓度发送第三控制信号，并且该回馈装置根据该第三控制信号回馈控制该多巴胺浓度。

本发明的另一目的在于提供一种生物传感器制作方法。应用此方法作制作出的生物传感器可精确地感测脑中的多巴胺浓度，进而解决现有技术的问题。

根据一个具体实施例，本发明的生物传感器制作方法包含以下步骤：首先，将连接官能基连接于纳米线场效应晶体管的纳米线的表面上；接着，将可用来连接多巴胺的测试基连接至连接官能基上，以形成生物传感器。

在一种实施方式中，本发明的生物传感器制作方法包含下列步骤：将3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷连接于纳米线场效应晶体管的纳米线的表面；以及将4-羟基苯硼酸连接于该3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷的末端胺基以形成该生物传感器。

在一种实施方式中，该制作方法进一步包含以含有该3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷的酒精溶液处理该纳米线的表面，进而将该3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷连接于该纳米线的表面的步骤。

在一种实施方式中，该制作方法进一步包含以交联剂辅助该4-羟基苯硼酸连接于该3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷的该末端胺基的步骤。

在一种实施方式中，该制作方法进一步包含将该纳米线场效应晶体管设置于探针针尖的步骤。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1示出了根据本发明的一个具体实施例的生物传感器的示意图。

图2示出了根据本发明的另一具体实施例的探针的示意图。

图3示出了根据本发明的另一具体实施例的感测设备的示意图。

图4A示出了根据本发明的另一具体实施例的感测设备的示意图。

图4B示出了根据本发明的另一具体实施例的感测设备的示意图。

图5示出了根据本发明的一个具体实施例的生物传感器制作方法的步骤流程图。

图6示出了图5的方法所制作出的生物传感器连接多巴胺分子的部分示意图。

具体实施方式

请参阅图1，图1示出了根据本发明的一个具体实施例的生物传感器1的示意图。如图1所示，生物传感器1包含纳米线场效应晶体管10、连接官能基12以及测试基14，其中纳米线场效应晶体管10上设置有纳米线100，连接官能基12则连接于纳米线100的表面上。此外，测试基14连接于连接官能基12之上。请注意，为了图面简洁起见，图1仅示出了一侧的纳米线100上连接测试基14以及连接官能基12，但在实际应用中，另一侧的纳米线100也可连接测试基14以及连接官能基12。

在实际应用中，纳米线100两端可连接两电极作为此纳米线场效应晶体管10的漏极以及源极。当纳米线100的性质改变时，纳米线场效应晶体管10会改变其电气特性进而产生信号变化。举例而言，当纳米线表面连接有不同物质时，纳米线的导电性可能根据其连接物质的数量产生变化致使纳米线场效应晶体管处于不同的操作状态。

在本具体实施例中，纳米线100可为硅纳米线，连接官能基12可为3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷，并且测试基14可为4-羟基苯硼酸，然而，本发明对此并不加以限制。连接官能基12(3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷)中的硅基可与硅纳米线100表面的氧基键结，此外，连接官能基12中的氨基可与测试基14(4-羟基苯硼酸)的羧基键结。测试基14可连接多巴胺，并且当测试基14连接多巴胺时，纳米线100的导电性会改变，导致纳米线场效应晶体管10产生一信号。请注意，纳米线100上所连接的连接官能基12以及测试基14的数量在实际应用中可依据使用者或设计者需求而定，并不限于本具体实施例。当越多的测试基14连接多巴胺时，纳米线100的特性改变得越明显，同样地也会改变纳米线场效应晶体管10所产生的信号。

请再参阅图1，图1的纳米线场效应晶体管10进一步包含基板102、介电层104以及支撑结构106，其中，介电层104覆盖于基板102上，并且支撑结构106设置于介电层104之上。纳米线100设置于支撑结构106的两侧并由支撑结构106所支撑。在实际应用中，纳米线的形成可先对支撑结构及其周围沉积纳米线的材料，例如，若所需求的纳米线材料为硅，则将硅材料层沉积于支撑结构及其周围。接着，对支撑结构及其周围的材料层进行蚀刻，其中，位于邻近支撑结构底部的材料层在蚀刻过后会根据蚀刻方法以及其参数而残留不同份量。由于支撑结构在本具体实施例中为长条状，因此沿着支撑结构底部延伸并残留下来的材料会形成长条形的纳米线。请注意，在实际应用中，上述纳米线场效应晶体管也可具有不同结构，并不限于本发明所列举的具体实施例。甚至，纳米线场效应晶体管也可以纳米碳管场效应晶体管取代，其根据使用者或设计者需求而定。

在上述具体实施例中，生物传感器1的纳米线场效应晶体管10可以根据测试基14连接多巴胺的数量改变所产生的信号。因此，其可用于感测脑中的多巴胺浓度。

请参阅图2，图2示出了根据本发明的另一具体实施例的探针2的示意图。探针2可用来作为脑探针，以探测脑中的多巴胺浓度。如图2所示，探针2包含探针本体20以及生物传感器22，其中，生物传感器22设置于探针本体20的针尖上。

在本具体实施例中，生物传感器22进一步包含纳米线场效应晶体管220、连接官能基222以及测试基224。连接官能基222连接于纳米线场效应晶体管220的纳米线2200上，测试基224则连接于连接官能基222上，并且，测试基224的另一端可连接多巴胺。纳米线场效应晶体管220可通过针尖与探针本体20电连接。请注意，本具体实施例的生物传感器22与上一具体实施例的生物传感器1大体上相同，在此不再赘述。因此，当生物传感器22的测试基224连接多巴胺时，纳米线场效应晶体管220所产生的感测信号可传至探针本体20。

上述具体实施例的探针2还可进一步连接到感测设备，以处理生物传感器所产生的感测信号进而判断多巴胺浓度。请参阅图3，图3示出了根据本发明的另一具体实施例的感测设备3的示意图。如图3所示，感测设备3包含探针30、生物传感器32以及数据处理装置34。

在本具体实施例中，生物传感器32设置于探针30本体的针尖上，并且生物传感器32包含纳米线场效应晶体管320、连接官能基322以及测试基324。同样地，连接官能基322连接于纳米线场效应晶体管320的纳米线3200上，测试基324则连接于连接官能基322上，并且，测试基324的另一端可连接多巴胺。由于本具体实施例的生物传感器32与上述具体实施例的生物传感器1、22大体上相同，故在此不再赘述。纳米线场效应晶体管320可通过探针30的针尖以及本体与数据处理装置34电连接。

在本具体实施例中，当测试基324连接多巴胺时，纳米线场效应晶体管320可根据测试基324所连接的多巴胺数量产生感测信号，并且，此感测信号可通过探针30传送至数据处理装置34。数据处理装置34可根据所接收到的感测信号来判断多巴胺浓度。在实际应用中，本发明的感测设备所能感测的多巴胺浓度范围可为1fM～1pM(亦即，10^-15M～10^-12M)，因此可精确地感测多巴胺浓度，并且适用于脑中的多巴胺浓度感测。

此外，请参阅图4A。图4A示出了根据本发明的另一具体实施例的感测设备4的示意图。如图4A所示，本具体实施例与上述具体实施例不同之处，在于本具体实施例的感测设备4进一步包含连接于数据处理装置44的警示装置46。当所判断出的多巴胺浓度高于第一默认值时，数据处理装置44可发送第一控制信号以控制警示装置46发送第一警示信号。另一方面，若所判断出的多巴胺浓度低于第二默认值时，数据处理装置44可发送第二控制信号以控制警示装置46发送第二警示信号。在实际应用中，第一默认值以及第二默认值可根据脑中的正常多巴胺浓度范围来设定，因此，当数据处理装置判断出脑中的多巴胺浓度不正常时，即可控制警示装置通知医护人员或其它相关人员。请注意，本具体实施例的感测设备4的其它单元(探针40、生物传感器42以及数据处理装置44等)与上述具体实施例的相对应单元大体上相同，故于此不再赘述。

请参阅图4B，图4B示出了根据本发明的另一具体实施例的感测设备5的示意图。如图4B所示，本具体实施例与上述具体实施例不同之处，在于本具体实施例的感测设备5进一步包含连接于数据处理装置54的回馈装置58。数据处理装置54可根据所判断出的多巴胺浓度发送第三控制信号致使回馈装置58对多巴胺浓度进行回馈控制。举例而言，当数据处理装置54判断脑中的多巴胺浓度过高时，回馈装置58可降低脑中的多巴胺浓度，另一方面，当数据处理装置54判断脑中的多巴胺浓度过低时，回馈装置58可提升脑中的多巴胺浓度。上述回馈控制在实际应用中可由数据处理装置54自行判断并控制，也可结合前一具体实施例的警示装置46以通知医护人员并由医护人员手动控制。同样地，本具体实施例的感测设备5的其它单元(探针50、生物传感器52以及数据处理装置54等)与上述具体实施例的相对应单元大体上相同，故在此不再赘述。

请注意，上述各具体实施例间的信号传递，均可通过有线或无线传输的方式来进行，本发明并不对此加以限制。

请一并参阅图1以及图5，图5示出了根据本发明的一个具体实施例的生物传感器制作方法的步骤流程图，该方法可用以制作如图1所示的生物传感器1。以下通过图1的生物传感器1来说明本具体实施例的方法的流程步骤。

如图5所示，本具体实施例的方法包含如下述的步骤。在步骤S60，以含有3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷(APTES)的酒精溶液处理纳米线场效应晶体管10的纳米线100的表面，进而将APTES连接于纳米线100的表面。其中，连接于纳米线100上的APTES即为图1所示的连接官能基12。在实际应用中，可使用具有2％APTES浓度的酒精水溶液在纳米线100表面反应30分钟，然而本发明并不限于此。

在步骤S62，通过交联剂的辅助将4-羟基苯硼酸(CPBA)连接于APTES的氨基上以形成生物传感器1。其中，连接于APTES上的CPBA即为图1所示的测试基12。

在步骤S64，将纳米线场效应晶体管设置于探针的针尖上。步骤S64可将生物传感器1整合于脑探针上从而可直接用来进行脑中的多巴胺浓度感测。请注意，本发明并不限定步骤S64的顺序，举例而言，纳米线场效应晶体管可先设置于探针再设置于其纳米在线连接测试基以及连接官能基，也可先将测试基以及连接官能基连接于纳米线的表面再将纳米线场效应晶体管设置于探针上。

请参阅图6，图6示出了图5的方法所制作出的生物传感器7连接多巴胺分子8的部分示意图。如图6所示，连接官能基72(APTES)的一端连接于传感器7的多晶硅纳米线70上，并且连接官能基72的另一端则连接测试基74(CPBA)。测试基74可连接多巴胺分子8，并且当试基74连接多巴胺分子8时，纳米线场效应晶体管(为了图面简洁起见，图3并未示出纳米线场效应晶体管)根据所连接的多巴胺分子8的数量产生感测信号。

与现有技术相较比，应用纳米线场效应晶体管所制成的生物传感器可灵敏地感测到多巴胺，因此可用在脑探针等需要精确测量的仪器。此外，结合此生物传感器、探针以及数据处理装置的感测设备可实时监测患者脑内的多巴胺浓度，甚至，此种感测设备还可用以调节脑内多巴胺浓度以预防因多巴胺浓度失调而造成的疾病。

通过以上优选具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所披露的优选具体实施例来对本发明的范围加以限制。相反地，其目的是希望能将各种改变及等同安排涵盖于本发明所附权利要求的范围内。因此，本发明的权利要求应该根据上述的说明作最宽广的解释，以致使其涵盖所有可能的改变以及等同安排。

主要组件符号说明

1、22、32、42、52、7：生物传感器

10、220、320、420、520：纳米线场效应晶体管

12、222、322、422、522、72：连接官能基

14、224、324、424、524、74：测试基

100、2200、3200、4200、5200、70：纳米线

102：基板                             104：介电层

106：支撑结构                         2、30、40、50：探针

20：探针本体                          3、4、5：感测设备

34、44、54：数据处理装置              46：警示装置

58：回馈装置                          S60～S64：流程步骤

8：多巴胺分子。

Claims (7)

1.一种生物传感器，用以检测多巴胺浓度，所述生物传感器包含：

纳米线场效应晶体管，具有纳米线；

连接官能基，连接所述纳米线；以及

测试基，连接于所述连接官能基，所述测试基用以连接至少一种多巴胺；

其中，当所述测试基连接所述至少一种多巴胺时，所述纳米线场效应晶体管根据所述至少一种多巴胺的数量产生感测信号，

其中，所述连接官能基为3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷，

所述测试基为4-羟基苯硼酸，

所述纳米线场效应晶体管进一步包含：

基板；

介电层，覆盖于所述基板上；以及

支撑结构，设置于介电层上，所述纳米线设置于所述

支撑结构的侧边以及所述介电层之上。

2.一种探针，用以检测脑中的多巴胺浓度，所述探针包含：

探针本体，包含针尖；以及

生物传感器，设置于所述针尖，所述生物传感器包含：

纳米线场效应晶体管，透过所述针尖与所述探针本体电连接，所述纳米线场效应晶体管具有纳米线；

连接官能基，连接所述纳米线；以及

测试基，连接于所述连接官能基，所述测试基用以连接至少一种多巴胺；

其中，当所述测试基连接所述至少一种多巴胺时，所述纳米线场效应晶体管根据所述至少一种多巴胺的数量产生感测信号，

其中，所述连接官能基为3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷，

所述测试基为4-羟基苯硼酸，

所述纳米线场效应晶体管进一步包含：

基板；

介电层，覆盖于所述基板上；以及

支撑结构，设置于介电层上，所述纳米线设置于所述支撑结构的侧边以及所述介电层之上。

3.一种感测设备，用以感测脑中的多巴胺浓度，所述感测设备包含：

探针，包含探针本体，所述探针本体具有针尖；

生物传感器，设置于所述针尖，所述生物传感器包含：

纳米线场效应晶体管，通过所述针尖与所述探针本体电连接，所述纳米线场效应晶体管具有纳米线；

连接官能基，连接所述纳米线；以及

测试基，连接于所述连接官能基，所述测试基用以连接脑中的至少一种多巴胺；以及

数据处理装置，连接所述探针；

其中，当所述测试基连接所述至少一种多巴胺时，所述纳米线场效应晶体管根据所述至少一种多巴胺的数量产生感测信号，并通过所述探针传送所述感测信号至所述数据处理装置，所述数据处理装置根据所述感测信号判断所述多巴胺浓度，

其中，所述连接官能基为3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷，

所述测试基为4-羟基苯硼酸，

所述纳米线场效应晶体管进一步包含：

基板；

介电层，覆盖于所述基板上；以及

支撑结构，设置于介电层上，所述纳米线设置于所述支撑结构的侧边以及所述介电层之上。

4.根据权利要求3所述的感测设备，进一步包含连接于所述数据处理装置的警示装置，当所述数据处理装置判断所述多巴胺浓度高于第一默认值时发送第一控制信号，并且所述警示装置根据所述第一控制信号发送第一警示信号。

5.根据权利要求3所述的感测设备，进一步包含连接于所述数据处理装置的警示装置，当所述数据处理装置判断所述多巴胺浓度低于第二默认值时发送第二控制信号，并且所述警示装置根据所述第二控制信号发送第二警示信号。

6.根据权利要求3所述的感测设备，进一步包含连接于所述数据处理装置的回馈装置，所述数据处理装置根据所判断出的所述多巴胺浓度发送第三控制信号，并且所述回馈装置根据所述第三控制信号回馈控制所述多巴胺浓度。

7.一种生物传感器制作方法，用以制作生物传感器，所述生物传感器用以感测脑中的一种多巴胺浓度，所述方法包含下列步骤：

将3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷连接于纳米线场效应晶体管的纳米线的表面；以及

将4-羟基苯硼酸连接于所述3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷的末端胺基以形成所述生物传感器，

其中，所述方法进一步包含下列步骤：

以含有所述3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷的酒精溶液处理所述纳米线的表面，进而将所述3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷连接于所述纳米线的表面；

以交联剂辅助所述4-羟基苯硼酸连接于所述3-氨基丙基三甲氧基甲硅烷的所述末端胺基；

将所述纳米线场效应晶体管设置于探针针尖。

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