CN106124756B - 感测芯片及感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种感测芯片，用于感测待测物中的第一有机分子。该感测芯片包括基材，在该基材上具有多个相间隔的纳米粒子以及在该多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；硅烷，固着于该多个局部基材表面；以及第二有机分子，固着于这些相间隔的纳米粒子表面，其中该第二有机分子与该第一有机分子两者间具有特异性。

Description

感测芯片及感测方法
技术领域
本发明涉及一种感测方法及感测芯片，尤其涉及一种用于感测待测物中的有机分子的感测方法及感测芯片。
技术领域
目前市场上有各种感测方法及装置，常见的感测方法例如为酶联免疫吸附测定法(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)，常见的感测装置例如为实验用孔盘或芯片。
以酶联免疫吸附测定法为例，它是一种被广泛应用的感测方法，已有多年的历史，其至少包括待测样品为抗原或抗体两种方式，分别如下所述：
当待测样品为抗原时，酶联免疫吸附测定法包含以下操作步骤：将具有特异性的抗体固着(coating)在塑料孔盘上，固着时间约为12小时至18小时，固着完成后洗去多余抗体；加入待测物和固着的抗体进行反应，反应时间约为0.5小时至2小时，待测物中若含有和固着的抗体具有反应性的抗原，则其会与塑料孔盘上固着的抗体进行结合；洗去多余待测物，加入带有酶且和该抗原具有反应性的抗体与该抗原结合，结合时间约为0.5小时至1小时；洗去多余未结合的带有酶的抗体，加入酶的底物使酶显色，显色时间约为0.5小时，使用光谱仪读取显色结果(即吸光值(OD值))，完成实验总共大约需要1天到2天。
当待测样品为抗体时，酶联免疫吸附测定法包括以下操作步骤：将已知的抗原固着在塑料孔盘上，固着时间约为12小时至18小时，完成后洗去多余的抗原；加入待测物和固着的抗体进行反应，反应时间约为0.5小时至2小时，检测体中若含有和固着的抗体具有反应性的一级抗体，则其会与塑料孔盘上固着的抗原进行特异性结合；洗去多余待测物，加入带有酶的二级抗体，与待测的一级抗体结合，结合时间约为0.5小时至2小时；洗去多余未结合的二级抗体，加入酶的底物使酶显色，显色时间约为0.5小时，使用光谱仪读取显色结果(即吸光度(OD值))，完成实验总共大约需要1天到2天。酶联免疫吸附测定法在灵敏度上有其限制。
一般使用实验用孔盘来进行酶联免疫吸附测定法，但根据实验的需求，也可以使用芯片或其他感测装置来进行。反之，实验用孔盘及芯片也可用于酶联免疫吸附测定法之外的感测方法。
目前市面上的实验用孔盘有各式各样的结构及材料，举例来说：以孔数来分有6孔、12孔、24孔、48孔、96孔、384孔及1536孔等；以底部构造来分有平底、圆底、V型底及结合圆底及平底特征的易清洗底等；以材料来分有聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等；以颜色来分有透明、黑色、白色、黑色透明底及白色透明底等；以用途来分有一般分析用、细胞培养及细胞分析用、免疫分析用及保存用等。一般免疫分析用的孔盘的材料大多为聚苯乙烯，其结构大多为96孔孔盘。一般免疫分析用的孔盘其底部表面或未经处理(un-treated)、或是使用照射技术使原本孔盘表面上的苯环产生羧基及羟基使其和欲固着于其上的分子结合能力增加。
目前市面上的感测芯片根据制作工艺的不同可分为微阵列芯片(microarray)及实验室芯片(lab-on-a-chip)。根据探针的材料不同，微阵列芯片又可分为基因芯片及蛋白质芯片。
本领域技术人员的重要目的在于提升感测的灵敏度，改进现有的感测方法及装置或提供新的感测方法及装置。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种感测芯片，用于感测待测物中的第一有机分子，该芯片包含：基材，在该基材上具有多个相间隔的纳米粒子以及在该多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；硅烷，固着于该多个局部基材表面；以及第二有机分子，固着于这些相间隔的纳米粒子表面，其中该第二有机分子与该第一有机分子两者间具有特异性。
本发明的第二方面提供了一种感测方法，用于感测待测物中的第一有机分子，该方法包含包括以下步骤：(1)提供感测芯片，该芯片包括基材、在该基材上多个相间隔的纳米粒子以及在该多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；(2)使硅烷固着于该多个局部基材表面；以及(3)将第二有机分子固着至这些相间隔的纳米粒子表面，其中该第二有机分子与该第一有机分子两者间具有特异性。
本发明的第三方面提供了一种感测芯片，用于感测待测物中的第一有机分子，所述感测芯片包括：基材，在该基材上具多个相间隔的纳米粒子以及在该多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；第二有机分子，固着至该多个相间隔的纳米粒子，其中该第二有机分子与该第一有机分子两者间具有特异性；以及改性剂，固着于该所述多个局部基材表面，并诱使该第二有机分子远离该多个局部基材表面。
本发明的第四方面提供了一种感测方法，用于感测待测物中的第一有机分子，该方法包含包括下列步骤：(1)提供感测芯片，该芯片包括基材、在该基材上多个相间隔的纳米粒子以及在该多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；(2)使改性剂固着于该多个局部基材表面，该改性剂增强第二有机分子对所述相间隔的纳米粒子表面的吸附性；以及(3)将该第二有机分子固着至这些相间隔的纳米粒子表面，其中该第二有机分子与该第一有机分子两者间具有特异性。
附图说明
图1示出了本明第一实施例的感测芯片。
图2示出了本发明第二实施例的感测芯片。
图3(a)示出了本发明第一实施例的感测方法。
图3(b)示出了本发明第二实施例的感测方法。
图4(a)示出了本发明第一及第二实施例中的感测芯片。
图4(b)示出了本发明第一及第二实施例中的有孔元件。
图4(c)示出了本发明第一及第二实施例中的感测装置。
图5(a)示出了本发明第一及第二实施例中的感测芯片。
图5(b)示出了本发明第一及第二实施例中的有孔元件。
图5(c)示出了本发明第一及第二实施例中的感测装置。
图6(a)示出了本发明第一及第二实施例中的感测芯片。
图6(b)示出了本发明第一及第二实施例中的有孔元件。
图6(c)示出了本发明第一及第二实施例中的感测装置。
图7示出了本发明第一及第二实施例中实施例的框架。
图8示出了本发明的感测装置与Corning的COR-9018孔盘的比较。
图9及图10示出了以本发明的感测装置与Corning的COR-9018孔盘使用eBioscience的人类/小鼠转化生长因子β1ELISA试剂盒(human/mouse TGF beta 1ELISAkit,商品编号88-8350-88)，利用夹心ELISA法来定量人类/小鼠TGFβ1。
图11示出了以本发明的感测装置与Corning的COR-9018孔盘使用eBioscience的人类/小鼠转化生长因子β1ELISA试剂盒(human/mouse TGF beta 1ELISA kit,商品编号88-8350-88)，利用夹心ELISA法来定量人类/小鼠TGFβ1。
图12示出了以本发明的感测装置与Corning的COR-9018孔盘使用市售的C-反应蛋白(CRP)ELISA试剂盒，利用夹心ELISA法来定量C-反应蛋白。
图13(a)示出了以本发明的玻璃基板上有金纳米粒子，且金纳米粒子表面用氨基硅烷修饰的感测装置进行ELISA。
图13(b)示出了以本发明的玻璃基板上仅有金纳米粒子的感测装置进行ELISA。
图13(c)示出了以本发明的玻璃基板表面直接用氨基硅烷修饰的感测装置进行ELISA。
图13(d)示出了以本发明的仅有玻璃基板的感测装置进行ELISA。
图14(a)示出了在低浓度条件下(浓度检测极限测试)，以本发明的玻璃基板上有金纳米粒子，且金纳米粒子表面用氨基硅烷修饰的感测装置进行ELISA的浓度检测极限测试。
图14(b)示出了在低浓度条件下(浓度检测极限测试)，使用仅有玻璃基板的本发明的感测装置进行ELISA的浓度检测极限测试。
附图标记说明
11 感测芯片
111 基材
112 纳米粒子
113 局部基材表面
114 硅烷
115 第二有机分子
116 第一有机分子
117 改性剂
118 第三有机分子
119 酶
120 底物
42、52、62 有孔元件
421、521、621 通孔
43、53、63 感测装置
7 框架
具体实施方式
通过以下优选实施例的详细说明将清楚地呈现有关本发明的技术内容、特点及功效。
1.一种感测芯片，用于感测待测物中的第一有机分子，该芯片包含：基材，在该基材上具有多个相间隔的纳米粒子以及在该多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；硅烷，固着于该多个局部基材表面；以及第二有机分子，固着于这些相间隔的纳米粒子表面，其中该第二有机分子与该第一有机分子两者间具有特异性。
2.如实施例1所述的感测芯片，其中该感测芯片可拆卸地设置于具有通孔的有孔元件以在该有孔元件的一端关闭该通孔，以形成感测装置。
3.如实施例1至2所述的感测芯片，其中：该第二有机分子直接固着于这些相间隔的纳米粒子的表面；以及该感测芯片为蛋白质芯片或基因芯片。
4.一种感测方法，用于感测待测物中的第一有机分子，该方法包含以下步骤：(1)提供感测芯片，该芯片包含基材、在该基材上多个相间隔的纳米粒子以及在该多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；(2)使硅烷固着于该多个局部基材表面；以及(3)将第二有机分子固着至这些相间隔的纳米粒子表面，其中该第二有机分子与该第有机分子两者间具有特异性。
5.如实施例4所述的感测方法，该方法还包括：将第二有机分子固着至这些相间隔的纳米粒子表面后，进行酶联免疫吸附测定法。
6.如实施例4至5所述的感测方法，其中：该第二有机分子直接固着至这些相间隔的纳米粒子的表面；并且该第二有机分子为抗原或抗体。
7.一种感测芯片，用于感测待测物中的第一有机分子，所述芯片包括：基材，在该基材上具有多个相间隔的纳米粒子以及在该多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；第二有机分子，固着至该多个相间隔的纳米粒子表面，其中该第二有机分子与该第一有机分子两者间具有特异性；以及改性剂，固着于该多个局部基材表面，并诱使该第二有机分子远离该多个局部基材表面。
8.如实施例7所述的感测芯片，其中该改性剂为硅烷。
9.如实施例7至8所述的感测芯片，其中：该第二有机分子直接固着于这些相间隔的纳米粒子的表面；以及该感测芯片为蛋白质芯片或基因芯片。
10.一种感测方法，用以感测待测物中的第一有机分子，该方法包含以下步骤：(1)提供感测芯片，该芯片包含基材、在该基材上多个相间隔的纳米粒子以及在该多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；(2)使改性剂固着于该多个局部基材表面，该改性剂增强第二有机分子对这些相间隔的纳米粒子表面的吸附性；以及(3)将该第二有机分子固着至这些相间隔的纳米粒子表面，其中该第二有机分子与该第一有机分子两者间具有特异性。
11.如实施例10所述的感测方法，该方法更包含：将该第二有机分子固着至这些相间隔的纳米粒子表面后，进行酶联免疫吸附测定法。
12.如实施例10至11所述的感测方法，其中：该第二有机分子直接固着于这些相间隔的纳米粒子的表面；以及该第一有机分子为抗原或抗体。
请参见图1及图3(a)，本发明的第一实施例提供了一种感测芯片11，用于感测待测物中的第一有机分子116。
该感测芯片11包含基材111，在该基材111上具多个相间隔的纳米粒子112以及在该多个相间隔的纳米粒子112间的多个局部基材表面113；硅烷114，固着于该多个局部基材表面113；以及第二有机分子115，固着于这些相间隔的纳米粒子112表面，其中该第二有机分子115与该第一有机分子116两者间具有特异性。
如图4至图6所示，本实施例的感测芯片11能够可拆卸地设置于具有通孔421、521、621的有孔元件42、52、62，以在该有孔元件42、52、62的一端关闭该通孔421、521、621，以形成感测装置43、53、63。如图6所示的该感测装置63可直接用于感测该待测物中的该第一有机分子116；如图4及图5所示的该感测装置43、53可进一步组装于如图7所示的框架7以进行该待测物中的该第一有机分子116的感测。用该感测装置43、53、63进行的感测可使用任何可和实验用孔盘配合使用的仪器，例如光谱仪及自动微孔盘洗盘机，其中该光谱仪可为酶标仪(ELISA reader)。
本实施例的感测芯片可为蛋白质芯片或基因芯片，该蛋白质芯片或该基因芯片可直接用于感测，无需结合其他元件。
该第二有机分子115可直接固着于这些相间隔的纳米粒子112的表面。该待测物可为血液、尿液、细胞培养液及其他体液，但不限于此。该第一有机分子116可为蛋白质，该蛋白质可为抗原或抗体。该基材可由透光材料制成。这些相间隔的纳米粒子112由金属制成，所述金属选自由金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铬(Cr)、钴(Co)、钼(Mo)、铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、铁(Fe)、镁(Mg)、锡(Sn)、钛(Ti)，铊(Ta)及铱(Ir)、上述金属的合金及其组合所组成的组。该纳米粒子的形状选自由圆形、岛形、长条形、三角形、星形、环形、中空形及其组合所组成的组。该纳米粒子的粒径可为1nm至200nm。该局部基材表面113具有直径，该直径可为1nm至100nm。该硅烷114可为烷基硅烷、氨基硅烷或其他硅烷，氨基硅烷举例来说可以是3-氨基丙基三甲氧基硅烷(3-aminopropryltrimethoxysilane,APTMS)或3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane,APTS)。该第二有机分子115可为蛋白质，所述蛋白质可为抗原或抗体。
本实施例的感测芯片11或感测装置43、53、63可加入适合的抗体、标准品、缓冲液、显色剂、封闭液、底物液及终止液等以制成试剂盒。
请参见1及图3(a)，本发明第一实施例还提供了一种感测方法，用于感测待测物中的第一有机分子116。
该感测方法包含以下步骤：提供感测芯片11，该感测芯片11包含基材111、在该基材111上多个相间隔的纳米粒子112以及在该多个相间隔的纳米粒子112间的多个局部基材表面113；使硅烷114固着于该多个局部基材表面113；以及将第二有机分子115固着至这些相间隔的纳米粒子112表面，其中该第二有机分子115与该第一有机分子116两者间具有特异性。
本实施例的感测方法在将该第二有机分子115固着至这些相间隔的纳米粒子112表面后，可进行酶联免疫吸附测定法，即，将待测物加入至该通孔421、521、621中；在该待测物中的该第一有机分子116与第二有机分子115特异性结合后，将具有酶119的第三有机分子118加入至该通孔421、521、621中；在该第三有机分子118与该第一有机分子116特异性结合后，将该酶119的底物120加入到该通孔421、521、621中以进行显色反应；加入终止液终止该显色反应以获得显色反应结果；以及读取该显色反应结果的数值。
如图4至图6所示，本实施例的感测方法可进一步将该感测芯片11可拆卸地设置于具有通孔421、521、621的有孔元件42、52、62，以在该有孔元件42、52、62的一端关闭该通孔421、521、621，以形成感测装置43、53、63。如图6所示的该感测装置63可直接用于感测该待测物中的该第一有机分子116；如图4及图5所示的该感测装置43、53可进一步组装于如图7所示的框架7以进行该待测物中的该第一有机分子116的感测。使用该感测装置43、53、63进行感测可使用任何可和实验用孔盘配合使用的仪器，例如光谱仪及自动微孔盘洗盘机，其中该光谱仪可为酶标仪。
该第二有机分子115可直接固着于这些相间隔的纳米粒子112的表面。该待测物可为血液、尿液、细胞培养液及其他体液，但不限于此。该第一有机分子116可以为蛋白质，该蛋白质可为抗原或抗体。该基材111可以透光材料制成。这些相间隔的纳米粒子112由金属制成，该金属系选自由金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铬(Cr)、钴(Co)、钼(Mo)、铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、铁(Fe)、镁(Mg)、锡(Sn)、钛(Ti)，铊(Ta)及铱(Ir)、上述金属的合金及其组合所组成的组。该纳米粒子112的形状选自由圆形、岛形、长条形、三角形、星形、环形、中空形及其组合所组成的组。该纳米粒子112的粒径可为1nm至200nm。该多个局部基材表面115具有直径，该直径可为1nm至100nm。该硅烷114可为烷基硅烷、氨基硅烷或其他硅烷，氨基硅烷举例来说可为3-氨基丙基三甲氧基硅烷或3-氨基丙基三乙氧基硅烷，但不限于此。第二有机分子115可为蛋白质，所述蛋白质可为抗原或抗体。
请参见图2及图3(b)，本发明第二实施例提供了一种感测芯片11，用于感测待测物中的第一有机分子116。
该感测芯片11包含基材111，在该基材111上具多个相间隔的纳米粒子112以及在该多个相间隔的纳米粒子112间的多个局部基材表面113；第二有机分子115，固着至该多个相间隔的纳米粒子112表面，其中该第二有机分子115与该第一有机分子116两者间具有特异性；以及改性剂117，固着于该多个局部基材表面113，并驱使该第二有机分子115离开该多个局部基材表面113。
如图4至图6所示，本实施例的感测芯片11能够可拆卸地设置于具有通孔421、521、621的有孔元件42、52、62，以在该有孔元件42、52、62的一端关闭该通孔421、521、621，以形成感测装置43、53、63。如图6所示的该感测装置63可直接用于感测该待测物中的该第一有机分子116；如图4及图5所示的该感测装置43、53可进一步组装于如图7所示的框架7以进行该待测物中的该第一有机分子116的感测。使用该感测装置43、53、63进行感测可使用任何可和实验用孔盘配合使用的仪器，例如光谱仪及自动微孔盘洗盘机，其中该光谱仪可为酶标仪。
本实施例的感测芯片11可为蛋白质芯片或基因芯片，该蛋白质芯片或该基因芯片可直接用于感测，无需结合其他元件。
该第二有机分子115可直接固着于这些相间隔的纳米粒子112的表面。该待测物可为血液、尿液、细胞培养液及其他体液，但不限于此。该第一有机分子116可为蛋白质，该蛋白质可为抗原或抗体。该基材111可以透光材料制成。这些相间隔的纳米粒子112由金属所制成，该金属选自由金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铬(Cr)、钴(Co)、钼(Mo)、铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、铁(Fe)、镁(Mg)、锡(Sn)、钛(Ti)，铊(Ta)及铱(Ir)、上述金属的合金及其组合所组成的组。该纳米粒子112的形状选自由圆形、岛形、长条形、三角形、星形、环形、中空形及其组合所组成的组。该纳米粒子112的粒径可为1nm至200nm。该局部基材表面113具有直径，该直径可为1nm至100nm。该改性剂117可为硅烷、醇胺或烯胺。该硅烷可为烷基硅烷、氨基硅烷或其他硅烷，氨基硅烷举例来说可为3-氨基丙基三甲氧基硅烷或3-氨基丙基三乙氧基硅烷，但不限于此。第二有机分子115可为蛋白质，该蛋白质可为抗原或抗体。
本实施例的感测芯片11或感测装置43、53、63可加入适合的抗体、标准品、缓冲液、显色剂、封闭液、底物液及终止液等，以制成试剂盒。
请参见图2及图3(b)，本发明第二实施例还提供了一种感测方法，用于感测待测物中的第一有机分子116。
该感测方法包含下列步骤：提供感测芯片11，该感测芯片11包含基材111、在该基材111上多个相间隔的纳米粒子112以及在该多个相间隔的纳米粒子112间的多个局部基材表面113；使改性剂117固着于该多个局部基材表面，该改性剂117增强第二有机分子115对这些相间隔的纳米粒子112表面的吸附性；以及将该第二有机分子115固着至这些相间隔的纳米粒子112表面，其中该第二有机分子115与该第一有机分子116两者间具有特异性。
本实施例的感测方法在将第二有机分子115固着至这些相间隔的纳米粒子112表面后，可进行酶联免疫吸附测定法，即，加入一待测物至该通孔421、521、621中；在该待测物中的该第一有机分子116与第二有机分子115特异性结合后，加入具有酶119的第三有机分子118至该通孔421、521、621中；在该第三有机分子118与该第一有机分子116特异性结合后，将该酶119的底物120加入该通孔421、521、621中以进行显色反应；加入终止液终止该显色反应以获得显色反应结果；以及读取该显色反应结果的数值。
如图4至图6所示，本实施例的感测方法可进一步将该感测芯片可拆卸地设置于具有通孔421、521、621的有孔元件42、52、62以在该有孔元件42、52、62的一端关闭该通孔421、521、621，以形成感测装置43、53、63。如图6所示的该感测装置63可直接用于感测该待测物中的该第一有机分子116；如图4和图5所示的该感测装置43、53可进一步组装于如图7所示的框架7以进行该待测物中的该第一有机分子116的感测。以该感测装置进行感测可使用任何可和实验用孔盘配合使用的仪器，例如光谱仪及自动微孔盘洗盘机，其中该光谱仪可为酶标仪。
该第二有机分子115可直接固着于这些相间隔的纳米粒子112的表面。该待测物可为血液、尿液、细胞培养液及其他体液，但不限于此。该第一有机分子116可为蛋白质，该蛋白质可为抗原或抗体。该基材111可由透光材料制成。这些相间隔的纳米粒子112由金属所制成，该金属系选自由金(Au)、银(Ag)、钯(Pd)、铂(Pt)、铬(Cr)、钴(Co)、钼(Mo)、铜(Cu)、镍(Ni)、铝(Al)、铁(Fe)、镁(Mg)、锡(Sn)、钛(Ti)，铊(Ta)及铱(Ir)、上述金属的合金及其组合所组成的组。该纳米粒子的形状选自由圆形、岛形、长条形、三角形、星形、环形、中空形及其组合所组成的组。该纳米粒子的粒径可为1nm至200nm。该多个局部基材表面115具有直径，该直径可为1nm至100nm。该改性剂117可为硅烷、醇胺或烯胺。该硅烷可为烷基硅烷、氨基硅烷或其他硅烷，氨基硅烷举例来说可为3-氨基丙基三甲氧基硅烷(3-aminopropryltrimethoxysilane,APTMS)或3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-aminopropyltriethoxysilane,APTS)，但不限于此。第二有机分子115可为蛋白质，该蛋白质可为抗原或抗体。
将本发明的感测芯片用于进行一般酶联免疫吸附测定法，透过设置于基材上的纳米粒子，可有效增强酶联免疫吸附测定法的检测信号，使其检测极限降低到<1pg/mL。
使用本发明的感测芯片执行一般酶联免疫吸附测定法的方法为：先制备金纳米粒子阵列，其表面用硅烷修饰，直接固着蛋白质过夜，接着进行一般酶联免疫吸附测定法检测的标准流程。结果发现金纳米粒子可以增强信号因而提高OD值，使剂量与反应之间的距离可以拉得比较开，其机制为透过金纳米粒子表面吸附蛋白质，蛋白质被金纳米粒子吸附后呈现三维立体结构，使蛋白质结构能够有效展开，从吸附方位的观点来看，具有较高的特异性。即使在低浓度时，信号点跟信号点之间也可有效被区分开。此外，修饰硅烷是必须的，主要是让蛋白质固着可以更加均匀，使其在低浓度时，信号点与信号点之间不会乱跳，提高整个信号的稳定性，使其检测极限可以达到0.064pg/ml，达到可测量低浓度的效果。
本发明的感测芯片应用于酶联免疫吸附测定法，可以直接而有效地进行蛋白质固着，不同蛋白质的表面结构特性使其可透过三种主要的力吸附于金纳米粒子表面上，此三种力分别为疏水作用力、电荷引力及配位键结合力。
疏水作用力：在本发明的感测方法及感测芯片实施例中，当烷基硅烷吸附于纳米粒子之间的基材后，烷基硅烷可以增加基材接触角，所增加的接触角可帮助蛋白质靠近金纳米粒子表面。一旦蛋白质与金纳米粒子表面十分接近(之间的距离约小于1nm)，蛋白质的疏水区很有可能与金纳米粒子表面的疏水区接触并且与之结合。因此，对于富含非极性氨基酸(例如色氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸或苯丙氨酸)的蛋白质而言，其可与金纳米粒子表面发生强的结合作用。所以透过烷基硅烷本身的末端官能团特性，确实能增强蛋白质对金纳米粒子的表面吸附性。
电荷引力：氨基硅烷分子吸附于基材后末端所带的NH2，在水溶液中易形成NH3+，造成氨基硅烷分子带有正电荷，因此对于带有正电荷的蛋白质，会形成排斥作用。金纳米粒子表面带有负电荷，负电荷会吸引带有正电荷的蛋白质并足以使其靠近结合区的表面，环境pH值低于等电点时蛋白质带有正电荷，因此会与金纳米粒子表面发生强烈的吸引作用。尤其是富含赖氨酸和精氨酸的蛋白质区域在环境pH值低于赖氨酸的等电点(pH 10.4)和精氨酸的等电点(pH 12.5)时会带有大量的正电荷。因此，氨基硅烷分子所带的正电荷有助于富含赖氨酸和精氨酸的蛋白质吸附于金纳米粒子的表面。
配位键结合力：配位键结合力是所有吸引力中最强的，含有大量富含硫的氨基酸(半胱氨酸和甲硫氨酸)的蛋白质和金纳米粒子表面会强力结合，这是由在金原子(具有传导带电子的能力)和硫原子(带有价电子)之间的吸引力造成的。
透过这三种力，金纳米粒子可以有效率的吸附蛋白质，使其蛋白质吸附效率有效提升，可用最少的蛋白质浓度及最短的时间进行固着，同时得出的信号结果也优于一般市售的ELISA孔盘。
因此，本发明的感测方法及感测芯片具有灵敏度高、成本便宜以及节省时间等优点，且其可用于检测不同抗体及病毒。
本发明可应用于实验开发，如免疫分析化学分析及酶分析等；建立实验程序，如动力学功能及温度控制等；抗体鉴定，如抗体/配体亲合性筛检、单抗体抗原表位测定、肿瘤细胞筛选并鉴定期数、抗独特性抗体筛选、抗体浓度测定及片段筛检等；以及临床前与临床上诊断，如生物标记分析及重点照护等，用途十分广泛。
实验例
1.以氨基硅烷修饰本发明的感测芯片以进行抗原或抗体的检测实验：
先以能量较弱的氧气电浆对本发明的感测芯片的基板表面做亲水性改性，再将基板浸入3-氨基丙基三甲氧基硅烷(3-aminopropyltrimethoxysilane,APTMS)溶液中，便可以使APTMS与纳米粒子间的空白基板结合，接着直接加入抗体(抗原)就可使抗体(抗原)固着于纳米粒子上，再加入待测物抗原(抗体)与其反应，以进行抗原或抗体的检测实验。
2.本发明的感测装置与Corning的COR-9018孔盘的比较：
请参见图8，分别以本发明的感测装置与Corning的COR-9018孔盘针对转化生长因子-β(TGF-β)进行ELISA。TGF-β会促进肿瘤的恶化、侵润和转移，是一种癌症恶化指标。使用本发明的感测装置进行ELISA可测得浓度远低于1pg/ml的TGF-β，灵敏度明显优于Corning的COR-9018孔盘。
3.分别以本发明的感测装置与Corning的COR-9018孔盘使用eBioscience的人类/小鼠转化生长因子β1ELISA试剂盒(human/mouse TGF beta 1ELISA kit,商品编号88-8350-88)以夹心ELISA法来定量人类/小鼠转化生长因子β1：
分析盘准备：
步骤1.用1X固着缓冲液(coating buffer)稀释捕获抗体，并将100μl稀释后的捕获抗体加入到每个分析盘的孔中，将盘子密封后置于4℃过夜(O/N)。
步骤2.过夜后，吸干每个孔的捕获抗体液体后，每个孔用100μl的清洗缓冲液清洗。共清洗5次,使用八爪分注器时尽量沿着96孔分析盘的管壁加入，以减少气泡产生，在最后一次清洗步骤后，将分析盘倒扣在擦手纸上，以除去残余的清洗液。
步骤3.将100μl的封闭缓冲液(1X分析稀释液)加入到每个孔中，并置于室温下至少一小时。
步骤4.步骤3后，吸干每个孔的液体，每个孔用100μl的清洗液清洗。共清洗5次。
ELISA流程：
步骤1.标准品及样本：将标准品由最高浓度1000pg/ml往下依次稀释七个浓度，并且最后一点(第八点)为空白值(blank)，并将100μl的每个浓度的标准品及样品(在1X分析稀释液中)加入到每个孔中，每个标准品及样品进行三次重复试验。加入后置于室温下至少两小时。
步骤2.测定：在步骤1之后，吸干每个孔的液体，每个孔用100μl的清洗液清洗。共清洗5次。于每个孔中加入100μl(在1X分析稀释液中)稀释后的检测抗体，并置于室温下一小时。
步骤3.亲和素-辣根过氧化物酶(Avidin-HRP)：在步骤2之后，吸干每个孔的液体，每个孔再用100μl的清洗液清洗。共清洗5次。于每个孔中加入100μl(在1X分析稀释液中)稀释后的Avidin-HRP，并于室温避光静置30分钟。
步骤4.加TMB底物(底物液(Substrate solution))：在步骤3之后，吸干每个孔的液体，再用100μl的清洗液清洗每个孔。共清洗7次。向每个孔中加入100μl的底物，并于室温避光静置显色15分钟(清洗前先在孔加入清洗液浸泡1～2分钟)。
步骤5.将50μL终止液加入到每个孔后利用ELISA分析仪于450nm吸收波长测定结果，并用630nm波长校正。
※注意：反应终止后15分钟至30分钟内利用ELISA分析仪测定结果。
请参见图9及图10，Corning的COR-9018孔盘最低检测浓度为8pg/mL，本发明的感测装置(本实施例中为96孔微孔盘)最低检测浓度为0.064pg/mL。由于整个TGF-β家族都有9个半胱氨酸，这9个半胱氨酸中的8个会2个为一组二硫键形成半胱氨酸结，而这个结构即为整个TGF-β超家族的共同特征，第9个半胱氨酸则会与另外一个次单元的半胱氨酸形成二硫键产生二聚体。其他的TGF-β保守结构多为通过疏水性交互作用形成的二级结构。因此，这类型蛋白质的结构特性与金纳米粒子的表面结构特性，通过配位键结合力，可使这类型蛋白质有效的吸附于金纳米粒子表面，所以在低浓度时可以降低信噪，提高整体信号灵敏度。
4.分别以本发明的感测装置与Corning的COR-9018孔盘使用eBioscience的人类/小鼠转化生长因子β1ELISA试剂盒(human/mouse TGF beta 1ELISA kit,商品编号88-8350-88)，以夹心ELISA法来定量人类/小鼠转化生长因子β1：
请参见图11及表1，其中图11由表1的数据绘制而成。在实验中，本发明的感测装置在TGF-β1浓度检测极限最佳可达0.064pg/ml，而在市售分析试剂盒塑料孔盘中，Corning的COR-9018孔盘浓度检测极限仅达8pg/ml，本发明的感测装置的浓度检测极限超过传统孔盘100倍(0.064pg/ml:8pg/ml)。
表1
TGF-β1浓度(pg/ml) 本发明的感测装置 COR-9018
1000 3.7064 2.9043
200 1.0155 0.6148
40 0.27935 0.1326
8 0.12365 0.0516
1.6 0.09985 0.042
0.32 0.0786 0.0302
0.064 0.0706 0.0275
空白对照组 0.06655 0.0429
5.分别以本发明的感测装置与Corning的COR-9018孔盘使用市售的ELISA试剂盒，以夹心ELISA法来定量C-反应蛋白：
请参见图12及表2。图12由表2的数据绘制而成。本发明的感测装置对CRP浓度检测极限最佳可达0.32pg/ml，而在市售分析试剂盒塑料孔盘中，Corning的COR-9018孔盘浓度检测极限可达8pg/ml，本发明的感测装置的浓度检测极限超过传统孔盘约25倍(0.32pg/ml:8pg/ml)。
表2
CRP浓度(pg/ml) 本发明的感测装置 COR-9018
200 0.9585 1.44165
40 0.4772 0.6867
8 0.29615 0.5217
1.6 0.2284 0.4813
0.32 0.2035 0.47285
空白对照组 0.19125 0.48395
6.使用(1)玻璃基板上有金纳米粒子，且金纳米粒子表面以氨基硅烷修饰、(2)玻璃基板上仅有金纳米粒子、(3)玻璃基板表面直接以氨基硅烷修饰、以及(4)仅有玻璃基板四种不同材质的感测装置进行ELISA比较：
请参见图13(a)至图13(d)。使用金纳米粒子表面以氨基硅烷修饰的感测装置，针对eBioscience的人类/小鼠转化生长因子β1ELISA试剂盒(human/mouse TGF beta 1ELISAkit,商品编号88-8350-88)进行实验，其信号灵敏度最佳可达0.064pg/ml，而一般塑料孔盘的信号灵敏度仅为8pg/ml，因此金纳米粒子表面以氨基硅烷修饰的感测装置的信号灵敏度超过传统孔盘100倍以上(0.064pgml:8pg/ml)。玻璃基板上仅有金纳米粒子，未以氨基硅烷修饰时，在低浓度时其信号较不稳定而易跳动，可信度下降，因此其信号灵敏度较金纳米粒子表面以氨基硅烷修饰的感测装置差。玻璃基板表面直接以氨基硅烷修饰以及仅有玻璃基板的两种材质的感测装置皆无法提高灵敏度。
7.在低浓度条件下(浓度检测极限测试)，针对以玻璃基板上有金纳米粒子，且金纳米粒子表面以氨基硅烷修饰以及仅有玻璃基板两种不同材质的感测装置来进行ELISA的浓度检测极限测试的比较：
请参见图14(a)及图14(b)。玻璃基板上有金纳米粒子，且金纳米粒子表面以氨基硅烷修饰的感测装置的浓度检测极限，远优于仅有玻璃基板的感测装置。
8.应用本发明的感测芯片的蛋白质芯片：
将一般蛋白质芯片上的反应区改为具有纳米粒子阵列及有机分子层的反应区，该蛋白质芯片的规格为75mm*25mm，并具有60mm*21mm的反应区。
9.应用本发明的感测芯片的基因芯片：
将一般基因芯片上的反应区改为具有纳米粒子阵列及有机分子层的反应区，采用核酸探针杂交进行核酸序列测定，接着经扫描仪读取后产生图形文件，经过划格(Griding)、确定杂交点范围(Spot Identifying)、过滤背景信噪(Noise Filtering)等图像识别过程，最终得到基因表达的萤光信号强度值，并以列表形式输出。

Claims (11)

1.一种感测芯片，用于感测待测物中的第一有机分子，该芯片包含：
基材，在所述基材上具有多个相间隔的纳米粒子以及在所述多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；
硅烷，固着于所述多个局部基材表面；以及
第二有机分子，固着于这些相间隔的纳米粒子表面，其中所述第二有机分子与所述第一有机分子两者间具有特异性。
2.根据权利要求1所述的感测芯片，其中所述感测芯片能够可拆卸地设置于具有通孔的有孔元件以在所述有孔元件的一端关闭该通孔，以形成感测装置。
3.根据权利要求1所述的感测芯片，其中：
所述第二有机分子直接固着于所述相间隔的纳米粒子的表面；以及
所述感测芯片为蛋白质芯片或基因芯片。
4.一种感测方法，用于感测待测物中的第一有机分子，该方法包括以下步骤：
(1)提供感测芯片，所述芯片包括基材、在所述基材上的多个相间隔的纳米粒子以及在所述多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；
(2)使硅烷固着于所述多个局部基材表面；以及
(3)将第二有机分子固着至这些相间隔的纳米粒子表面，其中所述第二有机分子与所述第一有机分子两者间具有特异性。
5.根据权利要求4所述的感测方法，该方法还包括：
将第二有机分子固着至所述相间隔的纳米粒子表面后，进行酶联免疫吸附测定法。
6.根据权利要求4所述的感测方法，其中：
所述第二有机分子直接固着至所述相间隔的纳米粒子的表面；以及
所述第二有机分子为抗原或抗体。
7.一种感测芯片，用于感测待测物中的第一有机分子，包含：
基材，在所述基材上具有多个相间隔的纳米粒子以及在所述多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；
第二有机分子，固着至所述多个相间隔的纳米粒子表面，其中所述第二有机分子与所述第一有机分子两者间具有特异性；以及
硅烷，固着于所述多个局部基材表面，并诱使所述第二有机分子远离所述多个局部基材表面。
8.根据权利要求7所述的感测芯片，其中：
所述第二有机分子直接固着于所述相间隔的纳米粒子的表面；以及
所述感测芯片为蛋白质芯片或基因芯片。
9.一种感测方法，用于感测待测物中的第一有机分子，该方法包括以下步骤：
(1)提供感测芯片，该芯片包括基材、在所述基材上的多个相间隔的纳米粒子以及在所述多个相间隔的纳米粒子间的多个局部基材表面；
(2)使硅烷固着于所述多个局部基材表面，所述硅烷增强第二有机分子对所述相间隔的纳米粒子表面的吸附性；以及
(3)将所述第二有机分子固着至这些相间隔的纳米粒子表面，其中所述第二有机分子与所述第一有机分子两者间具有特异性。
10.根据权利要求9所述的感测方法，该方法还包括：
将所述第二有机分子固着至所述相间隔的纳米粒子表面后，进行酶联免疫吸附测定法。
11.根据权利要求9所述的感测方法，其中：
所述第二有机分子直接固着于所述相间隔的纳米粒子的表面；以及
所述第一有机分子为抗原或抗体。
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