TW200928346A - A biosensor device and a method of detecting biological particles - Google Patents

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200928346 六、發明說明： C發明所屬之技術領域3 發明領域 本發明係關於一種生物感測器裝置。 5 e 10 15 魯 特定言之，本發明係關於一種檢測生物粒子之方法。 發明背景 生物感測器表示組合一生物組件與一物理化學或物理 檢測器組件用於被分析物之檢測之一種裝置。 例如，生物感測器可基於下述現象，制動於生物感測 器表面上之捕獲分子可選擇性與流體樣本中之標把分子雜 交’例如當作為捕獲分子之抗體之抗體結合片段或DNA單 股序列匹配標靶分子之相對應序列或結構時可雜交。當此 種雜交事件或感測器事件出現於感測器表面時，可改變可 檢剛作為感測器事件之該表面之電器性質或光學性質。 US 2003/0174923揭示基於於感測器微球内部軌道運 行之光子之諧振偏移來檢測物質及/或測量物質。由於微球 之諧振具有大型定性因素，故感測器敏感。感測器包括耦 至少一根光纖之微球。微球表面包括與該物質互補之受 體。該至少一根光纖可設有具有不含受體之表面之至少一 個頰外微球。於此種額外微球中觀察的諧振偏移係歸因於 砟關該物質存在的因素。於具有受體之微球觀察得之諧振 偏移可基於額外微球之諧振偏移補償來移除此等其它因素 的影響。 20 200928346

Vollmer等人(2003)，「藉兩個微球空腔之光譜偏移來定 量多工化DNA」，生物物理期刊，85期，1974-1979頁揭示 用於高敏感度不含標籤之DNA定量之光譜技術。於微米尺 寸之二氧化矽球體中激發的光諧振（低語高響廊模式）可用 5來檢測及測量核酸。二氧化矽球體表面以寡核苷酸化學改 性。雜交至標靶DNA結果導致光諧振波長之紅偏移。此外， 各個微球可藉其獨特之諧振偏移加以識別。DNA檢測經由 使用兩顆微球驗證。來自於兩顆微球之多工化信號允許以 54之高信號對雜訊比來甄別於11元體募核苷酸中的單一核 1〇苦酸不匹配。此種全光子低語高響廊模式生物感測器可整 合至半導體晶片，因而讓其容易製造出可用於可攜式強勁 的早晶片上實驗室裝置（lab-on-a-chip device)之分析組 件。 基於低語高響廊模式之習知生物感測器晶片要求所需 15 較長的測量時間。 【^^明内容j 發明概要 本發明之目的係提供一種具有足夠效能之生物感測 器。 2〇 為了達成如前文定義之目的，提供根據申請專利範圍 之獨立項之一種生物感測器裝置及一種檢測生物粒子之方 法0 根據本發明之具體實施例，提供一種用於檢測生物粒 子之生物感測器裝置，該生物感測器裝置包含適用於發射 200928346 5 ❹ 10 15 ❹ 電磁轉射之―φ、_ 射發射件之I磁‘射發射件(諸如波導)及配置於電磁輪 感測器活心// ^活性結構(諸如微球），其中該等多數 面之生物^官^對特定生物粒子敏感（例如藉微球表 下（例如㈣^ 合於個财齡子存在之情况 之雜交事件;，於微球上的捕獲分子與互補生物分子間 如用於觸料錢電魏射發射件輻射發射性質(例 磁輕射射之料偏移，例如紅偏移），其中該電 多數感測H、、係仙於同時(亦即時間上並列）檢測於該等 同a# Μ ^雜結構之列者的列生物粒子（例如藉由並列:傳播通過該電磁輻射發射件，例如通過 夕根光纖傳播之多根分開電磁輻射束）。 粒子^據本發明之另—個具體實_，提供-種檢測生物 構 方法該方法包含順著其上附接多數感測器活性結 電磁輻射發射件而發射電磁輕射其中該 ^活性結構各自對料生物粒子敏感，且於該等多數感·/舌性結構之個別者存在有個別生物粒子之情況下，經 由評估該電磁輻射發射件之已修改的電磁_發射性質而 同時檢測於該等多數感測H活性結構之者之不同生物 粒子。 生物感測II」-詞制表示可用於被分析物包含生 子諸如DNA、RNA、蛋白質、酶、細胞、細菌、病毒 等之檢;8||之裝置。生物感測器可組合生物組件(例如於可檢 、、J刀子之生物感測器活性表面之捕獲分子）與物理化學或 物理檢測H組件(例如具有可藉感測器事件修改之發射性 5 200928346 質之波導）。 生物粒子」—詞特別表示於生物學中位於生物學或 生物化學程序中扮演重要角色之任何粒子，諸如基因、 DNA RNA、蛋白質、酶、細胞、細菌、病毒等。 5 10 15 20 感測器活性區」—詞特別表示感測器例如球體結構 諸如二氧切微球之暴露區，該暴舰可錢體樣本交互 作用因此於該感測器活性區發生檢測事件。換言之，感剛

器活性區可為感測器裴置之實際敏感區，其中敏感區進行 之處理程序構成感測的基礎。 流體樣本」—岡特別表示物質相之任何子集。此等 流體包括液體、氣體、漿體、以及至某種程度包括固體及 其/¾合物。流體樣本之實例為的财之流體、血液、皮下 .，且織之間貝液、肌肉組織或腦組織、尿液或其它體液。舉 例。之’流體樣本可為生物物f。此種物質包含蛋白質、 多肽、核酸、DNA股等。 電磁輻射」

3特別表示具有任一種適當波長之j 子束電磁輻射包括光譜(例如4⑻奈米至細奈米範圍），^ 也包括其它波長之電磁輕射諸如紫外線、紅外線、微波 或甚至X射線。根據本發明之一 <一個具體實施例，此種電磁 射可用作為探頭，原因在於并 、此種電磁輻射係導引通過結才 諸如光纖，且可與附接至夯繾认± 錢外表面之感測器組件交互^ 用0 「低語高響廊模式」—詞特別表示當光線被侷限於且 有折射率大於其·折射率之_形體積或球形體積時: 6 200928346 體St振波長可能發生的現象。於此等波長光於該 約奈秒4仃全内反射’ ^變成被捕捉於賴積内部歷經 體積間規格。根據具體實施例，圓柱形體積或球形 ^合至例如黏合至光纖之暴露面。 射電2㈣射發射件」—詞制表示可順著财路徑發 ==射之純粹光學組件或光電子組件。例如，電磁輕 Ο 10 15 20 由提供具有折射率大於1之結構而界定光路 立折射^波長及該電磁輻射發射件之特线何形狀組合 界可發射件與周圍空氣或真空間之邊 數感測器;:二ΠΓ輕射束可順著欲與該等多 置之預定路徑確 扁平長方體，多個電磁輻射電磁11射發射件可為 引通過其中。另外，電磁二:㈣即無串擾地導 校準的光纖，各光_合導^2件例如可包含多數平行 「於該等多數感測器活性社構通、/、中 的生物粒子，一匈拉如主_ 、°僻之不同者同時檢測不同 配置特別為所在位置特別：口射發射件之次組件之 活性結構之個別者獨立檢測。例因此允許於數個感測器 結構之檢測探頭之光束，該光Τ，作為此種感測器活性 中之確切—者交互作用/因此^Γ與多個感測器活性結構 射束於該等感測器活性結構=同時使用另-個電磁韓 根據本發明之-個具體實施麵行檢測。 多個以感測器活性材料官能化夕生物感測組件可設置 之多個（例如至少10個，特別 7 200928346

性結構同時檢測生物粒子的不同jp分。 至少百個’更特別至少千個）感剛器$ 製成之球狀微結構）。感測器活 π rrm如由一光纖陣列所 其没计允許於不同感測器活 同部分。舉例言之，不同生 物探頭可制動化於各個感測器活性結構之表面（例如捕獲 分子係與待檢狀生物粒子互補）。如此允許大量平行的因 而可快速檢測的架構，允許顯著加速的檢測機轉。因此由 於不同感測器活性結構之空間分開，可簡化官能化程序， 10原因在於例如可同時將不同的感測器活性結構浸沒於不同 的官能化溶液内。因此可提供生物感測器陣列，其包含具 有感測器結構接觸其上之多根光纖，各個感測器結構對與 該個別感測器結構互補之一特定生物粒子敏感。 其次，將解說生物感測器裝置之進一步具體實施例。 15 但此等實施例也適用於本發明。 電磁輻射發射件包含多個空間分開的電磁輻射發射單 元’多個感測器活性結構各自係配置於該等多數空間分開 電磁輻射發射單元之選定單元。經由電磁輻射導引結構之 彼此分開，不同探測光束間非期望的_擾可確切加以避 20免，藉此允許高度準確且平行檢測的方案。空間分開也包 括個別電磁輻射發射單元之電磁輻射性質之官能上解耦。 換言之，傳播通過電磁輻射發射單元中之一者之電磁輻射 免於傳播通過電磁輻射發射單元中之另一者。如此允許 傳播路徑的明確區分，藉此允許檢測信號與檢測事件的明 200928346 • 白校準。 - 多數空間分開的電磁輻射發射單元可為多數不同（電 磁）波導。波導係指導引電磁波諸如光波之結構。波導可組 成用來載波經歷電磁輻射之寬廣部分，但可能特別可用於 5光學及微波頻率範圍。依據頻率而定，波導可由導電材料 或由介電材料所組成。 多數空間上分開的電磁輻射發射單元可包含多根光 ❹ 纖，該等多數感測器活性結構各自係排列於該等多根光纖 之一選定者。光纖可為設計用來順其縱向導引光線之玻璃 ' 10纖維或塑膠纖維(可由二氧化矽玻璃製成）。纖維表示金屬導 線之光學類似物，原因在於光纖允許光信號順著其中傳播 而極少損耗。特別，此等光纖包含一核心及一侷限，可以 全内反射為基礎。 特別，當多數光纖平行排列時，順著預定方向之檢測 15變可能，可共享電磁輻射源(諸如雷射）及/或電磁輻射檢測 φ 器（諸如光二極體、光二極體陣列或CCD、「電荷耦合元 件」）。此外，光纖之並列校準容易製造且允許設計緊密。 多數感測器活性結構各自包含一微本體，特別為微 球，更特別為二氧化矽微球。如此具有尺寸例如約為微米 20尺寸或以下至毫米或以上之本體可單純附接於例如圓柱形 波導諸如光纖之外表面。特定言之，球體可衰減地耦合至 光纖。光纖球體耦合及球體製造可根據本發明之具體實施 例進行，例如述於Vollmer等人(2003)，「藉兩個微球空腔之 光譜偏移來定量多工化DNA」，生物物理期刊，85期，1975 200928346 頁，右欄，該文以引用方式併入此處。電磁輻射諸如光線 順著波導行進，可促進電磁輻射與官能化微本體間之交互 作用，因此電磁輻射束之發射性質可依據感測器活性結構 與流體樣本之各個組成分間可能的交互作用敏感地決定， 5如此允許定性或定量測定樣本之各個組分。例如制動於微 本體外表面之捕獲分子與接受分析之被分析物粒子間之雜 交事件可能導致電磁輻射發射體系之特徵樣式。微本體具 有球狀結構，可具有橢圓體結構，可具有圓柱體結構，可 具有立方體結構等。但微本體可以於微本體激發的低語高 10響廊模式(WGM)之方式，WGM係用作為檢測體系之基礎， 根據本發明之具體實施例設計及成形。 生物感測器裝置包含適用於產生欲耦接至電磁輻射發 射件之電磁輻射之一個或多個電磁輻射源。此種電磁輻射 源可為雷射，特別為半導體雷射諸如雷射二極體。此種雷 15 射二極體常見對全部或部分光纖共同提供，其中可使用一 個或多個光學元件諸如鏡面、透鏡、孔口、分束器、光學 耦合器、擴散器等來將光線導引入光纖内部。另外，可對 個別光纖設置一分開雷射二極體。此外，發光二極體可以 電磁輻射源實施。 2〇 生物感測器裝置進一步包含適用於電磁輻射順著電磁 輻射發射件傳播後檢測該電磁輻射之一個或多個電磁輻射 檢測器。此種電磁輻射檢測器包含一個或多個光二極體， 或可包含二維或一維檢測器陣列諸如CCD (電荷耦合元 件）。電磁輻射檢測器可對兩根或多根光纖共通設置’或可 200928346 對個別一根光纖分開設置。 生物感'則器裝置適合用作為DNA (去氧核糖核酸）定序 生物感測^置。「DNA定序」-詞表示於DNA節段中測定 驗基對順序之程序。換言之，發現測定DNA-區中之核苦 5 ❹ - 10 15 ❹ 20 酸序列之麵方法。DNAM涵蓋於DNAS核*酸中測定 核苷酸鹼基亦即腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶及胸腺嘧啶之順 序之生物學方法。 生物感測器裝置適用於藉多數感測器活性結構與生物 粒子間之雜交事件料該等生物粒子。經㈣捕獲分子制 動於微本體之外表面，該捕獲分子之官能化用作為感測器 活性結構’以及隨後經由將可能包含該等生物粒子之流體 樣本功能性接觸該微本體之官能化表面，於該等捕獲分子 與欲檢測粒子之相互補之情況τ，可錄高選擇性方式 發生雜父事件。換言之，當檢測得(例如基於低語高響廊模 式）所發射之電磁輻射發射體系中之特定修改時，獲得結 論’於互㈣捕獲分子與生物粒子間出現雜交事件。經由 預見不同感測H活性結構之不關獲分子，可分析欲檢測 之粒子序列’或可進行任何趙分離技術或流體分析技術。 特別’生物感測器裝置適合於多數感測器活性結構中 之不同者夕工化檢測不同的生物粒子，舉例言之，可設置 個或多個多ji|| ’其可連結至多根光纖因而可做多工化 檢測與評估。 生物感測器裝置適用於基於低語高響廊模式檢測而同 時檢測不同的生物粒子。如敎說明，揭示低語高 響廊模 11 200928346 式現象，如此於US 2003/0174923 A1 或US 2002/0097401 A1 二案皆以引用方式併入此處。 生物感測器裳置包含適用於與生物粒子交互作用之多 數感測器活性結構各自之表面上的一個或多個捕獲分子。 5 如此’捕獲分子對感測器活性結構中之不同者可能不同， 故可進行流體樣本之大量並列分析，結果於特定光纖，於 該光纖存在有具有與部分生物粒子互補序列之捕獲分子， 藉光電子方式可檢測得感測器事件。 根據本發明之具體實施例’可提供一種經由雜交來定 10序DNA之方法。特別，提供使用習知CMOS處理製造之技 術執行無標籤式DNA定序之方法。 藉雜交定序（SBH)可表示測定於DNA股上出現之核苦 酸序列之方法類別。此種程序典型係用於找出相對於已知 之DNA序列之微小變化。DNA —股結合至其互補股及DNA 15 雙螺旋（亦即雜交）於雜交區長度短或當存在有特化的不匹 配檢測蛋白質時’甚至對單一鹼基的不匹配也敏感。此可 以多種不同方式探勘，例如透過DNA晶片或微陣列探勘， 含有數以千計或數十億個感興趣的基因體中所出現之合成 核苷酸加上多種已知的變化或甚至全部可能的單一鹼基變 20 化。但此種習知SBH技術包括若干缺點諸如雜交晶片中之 樣本準備價格昂貴且緩慢，需要有高度技巧之工作人員來 進行樣本之準備’要求DNA之PCR (聚合酶連鎖反應）擴 增，讀出之標記價格昂貴且有錯。 有鑑於此等認知，發明人瞭解如此處揭示之另一項技 12 200928346 術更可靠，可提高敏感度因而只需要極少或不需要PCR擴 增，可避免使用檢測標記因而成本降低，容易整合CMOS 技術，玎避免因標記檢測造成的錯誤讀出，以及可獲得樣 本準備技術之高度簡化。 5 ❹ - 10 15 ❹ 20 為了獲得此等及其它優點’本發明之實施例使用低語 高響廊模式(WGM)檢測方法。低語高響廊模式(WGM)乃特 定微腔諧振模式。WGM發生於當某個頻率之光於圓形幾何 形狀之介電介質中行進之時。於曲線邊界重複地全内反射 後，電磁場本身關閉，產生諧振。特定言之，使用WGM技 術進行DNA定序根據本發明之實施例變成可能。 如此允許DNA定序’更特別係藉雜交定序。根據一個 具體實施例，可提供DNA定序之多工化能力。為了達成此 項目的’微本體可能未串列或不僅串列提供至同一根光 纖，同時也可於彼此光學上解耦之不同（例如並列校準的） 光纖排列。如此’多種特別編碼球可並列配置提供予光纖 網路來提供允許DNA定序之（多工化）方法。 因此根據本發明之具體實施例，可未實施序列檢測或 不僅實施序列檢測，同時由於本發明之多個實施例之幾何 配置，也可至少部分並列執行塗覆及甄別。 經由提供具有不同分支之光纖，各分支各自附接塗覆 以不同寡核苷酸之一個或多個微本體，可同時塗覆不同球 體’原因在於不同球體耦合至不同光纖且於不同流體通道 内。各個通道可有不同入口，此處可導入不同塗覆層。如 此’可事先判定哪一條DNA股將進入哪一個球體。此外， 13 200928346 此種幾何形狀允許同時測量全部球體。 生物感測器可以CMOS技術製造。CMOS技術允許製造 極小尺寸之結構，因此經由實施CMOS技術將改良裝置之 (空間）準確度。BiCMOS方法也有用，其中實際上BiCMOS 5 為有若干額外處理步驟來增加兩極性電晶體之一種CMOS 方法。對於有其它埋置式選項諸如埋置式燒瓶、埋置式 DRAM等之CMOS方法亦為真。特別可能相關，原因在於選 項的存在經常提供使用額外材料其具有「零成本」選項之 機會。舉例言之’具有埋置式DRAM方法之適當高k材料(具 有焉’丨電常數之絕緣材料’諸如氧化銘）可以「零成本」用 於任一種期望的目的。 生物感測器裝置可單塊式整合於半導體基材，特別包 含由1V族半導體(例如矽或鍺)及III族V族半導體（例如砷化 鎵)所組成的組群中之一者。 15 生物感測器晶片或微流體裝置可為或可為部分感測器 裳置感測H讀ttj裝置、晶片上實驗室、電泳裝置、樣本 轉運裝置、樣本混合裝置、樣本絲裝置、樣本純化裝置、 樣本擴增裝置、樣本萃取裝置或雜交分析裝置。特定言之， 生物感測H或微流體I置可練—種生命科學裝置實施。 於任何方法步驟’可實施由半導體技術為 已知之任

省σ序开少成層或形成組件包括沉積技術例如CVD (化學氣相沉積）、PECVD(«加強式化學氣相沉積）、ALD =子層沉積）、或峰。絲層較件包括刻技術例如濕 刻、電漿_等及製作®樣技_如光微影術 、紫外線 20 200928346 微影術、電子束微影術等。 本發明之實施例並未限於特定材料，因此可使用多種 不同材料。用於導電性結構，可使用金屬化結構、石夕化物 結構或多晶梦結構。用於半導4 卞等體區或組件，可使用結晶矽。 5用於絕緣部分，可使用氧化矽或氮化碎。 生物感測器可於純然結晶性石夕晶圓上或s 〇 j晶圓（絕緣 體上矽）上形成。 可實施任一種處理技術例如CM〇S、BIP〇LAR、 BICMOS。 1〇 ’文^義之本發明之面相及其它面相由後文說明之實 施例將更為彰顯且將參考本發明之實例而解說。 圖式簡單說明 將參考具體實施例說明本發明之進一步細節如後，但 本發明並非囿限於此。 15 第1圖至第4圖顯示根據本發明之具體實施例之生物感 測器裝置。 第5圖顯示根據本發明之具體實施例耦合至光纖之微 球體作為WGM檢測之基礎之放大視圖。 第6圖顯示根據本發明之具體實施例執行WGM檢測之 20 方法。 第7圖顯示根據本發明之具體實施例之檢測頻譜。 第8圖示意顯示根據本發明之一種DNA定序方法。 第9圖顯示習知檢測體系。 15 200928346 較佳實施例之詳細說明 附圖之說明為示意說明。不同視圖中類似的或相同的 元件標示以相同的元件符號。 於後文中，參考第1圖’將解說根據本發明之〆具體實 5施例-種用於檢測生物粒子之生物感·裝置 生物感測器裝置100包含適合用於發射電磁轉射諸如 光之電磁輻射發射件1〇2,亦即波導配置。多個感測器活性 π構104接觸大致上圓柱形的電磁輻射發射件⑺2之外表 面。多數感測器活性結構104各自對特定生物粒子敏感（例 對具有特疋驗基序列之寡核苷酸敏感）且適用於個別 生物粒子存在下修改電磁輻射發射件1G2之電磁轄射發射 陡質（例如到達一端之光波長）。電磁輻射發射件1〇2適用於 同時亦即於相同時間檢測於多數感測器活性結構104之不 同者之不同生物粒子。 電磁輻射發射件102包含多數空間上分開的電磁輻射 發射單元106至110，亦即彼此平行配置之光纖1〇6至11(), 其中該等多數感測器活性結構1〇4各自係配置於該等多數 二間上分開的電磁轄射發射單元1〇6至HQ中之一個選定單 元。感測器活性結構104各自包含具有2〇〇微米半徑之二氧 2〇 化矽材料製成之球狀微本體112，其係由可於欲檢測粒子 (圖中未顯示)從事雜交事件之一層捕獲分子118所包圍或覆 蓋。 设置電磁輪射源114諸如一個或多個雷射二極體1〇4且 適用於產生欲耦合入電磁輻射發射件1〇2之電磁輻射俾順 16 200928346 5 ❹ 10 15 ❹ 20 著傳播方向150傳播。特定言之，於第1圖之實施例中，光 束係搞合入有分布節點132 (此處可設置適當光學構件）之 一光纖130 ’於該處光束係分束入不同光纖1〇6至11〇。如 此，由電磁輻射源114通過電磁輻射發射件1〇2傳播之光可 與機械式連結至個別光纖106至110之外表面的微球體104 交互作用’然後被導引至專用電磁輻射檢測器諸如光二 極體，該等光二極體各自適用於順著電磁輻射發射件1〇2傳 播後檢測電磁輻射。如此，於各個光二極體116，可檢測指 示到達個別光纖106至110末端之光束特性的相對應之電氣 檢測信號。於捕獲分子118層與被分析物中之互補粒子交互 作用之情況下，檢測信號可經特徵修改，例如可能出現波 長偏移(特別紅偏移）。 此外’生物感測器裝置1〇〇包含一控制單元134 (也標示 為評估單元)諸如微處理器或CPU (「中央處理單元」），其 包含允許控制部分裝置或整個裝置1〇〇之處理能力。用於此 項目的’控制單元134可與光源114耦合用於單向或雙向資 料通訊，控制單元134可與光檢測器ι16耦合用於單向或雙 向資料通訊，以及控制單元134可與輸入/輸出單元或使用 者介面136耦合用於單向或雙向資料通訊。 使用者介面136包含輸入元件諸如搖桿、數字小鍵盤按 紐等及也包含輸出單元諸如顯示器例如LCd顯示器或陰極 射線管。透過控制單元134與使用者介面136間之通訊，操 作使用者介面136之使用者可對控制單元134提供控制命 令，或可接收來自控制單元134之檢測結果。 17 200928346 控制單元134可藉適當評估演繹法則評估檢測信號，允 許由檢測信號測定或定量被分析物中之特定粒子。舉例言 之，可測定波長偏移及/或振幅修改允許對檢測資訊做出結 論。 5 生物感測器裝置100適用於基於多數感測器活性結構 104與生物粒子間之雜交事件的評估進行DNA定序。使用光 纖106至110之平行設置，於各光纖1〇6至11〇個別激發低語 尚響廊模式可作動，因此允許同時檢測不同生物粒子，各 個官能基118對互補生物粒子特別敏感。 10 於進行檢測前’各個二氧化矽微球112首先使用相對應 之官能基118官能化。第1圖所示不同微球1〇4之官能基118 為不同。經由對附接於個別光纖1〇6至11〇之各個個別微球 112提供不同官能材料變成可行。隨後，電磁輕射源可 經觸發來產生順著電磁輻射發射件1〇2傳播之電磁輻射。當 15發生部分流體樣本與感測器活性結構104之捕獲分子118中 之特定者間之雜交事件時，於個別微球體112或光纖1〇6至 110激發低語高響廊模式’可檢測為於個別光二極體116之 檢測信號的變化。如此，藉控制單元134分析光二極體11(5 之檢測彳目號允許導出有關生物樣本之資訊，例如允許DNA 20定序。此種分析結果可透過輸入/輸出單元136輸出。 第2圖顯示根據本發明之另一個具體實施例之生物感 測器裝置2〇〇。 生物感測器裝置200與生物感測器裝置100不同，特別 在於提供具有節段204、206、208、210、212之CCD檢測器 18 200928346 202，取代個別光二極體116。如此一維檢測器或二維檢剛 器202可連結至光纖106至110之輸出端。如此，使用單—組 件202,光纖106至110之一維陣列或二維陣列之—維或二維 檢測變成可能。 5 用於一維架構，光纖106至110之末端可沿一直線排 列。至於二維架構，一光纖陣列可提供於第2圖之紙張平面 及垂直於該平面。 後文中參考第3圖，將解說根據本發明之另一個具體實 施例之生物感測器裝置300。 10 第3圖之實施例與第1圖之實施例之差異特別係在於對 光纖106至109之個別者設置一個個別電磁輻射源114,以及 差異在於光纖數目為4而非5。個別電磁輕射源114之分開設 置允許對個別光纖106至110個別控制電磁發射性質。例如 各個不同光纖106至109可設置不同波長（及/或不同強度）之 15 電磁輻射，允許使用波長相依性之單一檢測器。 後文中，參考第4圖，將說明根據本發明之另一個具體 實施例之生物感測器裝置400。 第4圖之實施例與第3圖之實施例之差異特別在於五條 平行路徑而非四條為可能，更重要地光纖106至109係經以 20 薄的平面連續二氧化矽板4〇2取代，板402係設置於電磁輻 射源114與光二極體116間，因此五條不同光徑不含串擾或 大致上不含串擾變成可能。第4圖顯示板402之頂視平面 圖，且顯示官能化微球104固定式連結至板402之上表面來 觸發低語高響廊模式。 19 200928346 為了可靠地解耦第4圖中之個別光徑，視需要可使用光 反射材料或光吸收材料提供壁面4〇4於相鄰光徑間。 後文中將說明藉雜交定序(SBH) DNA之方法。 其次將解說SBH之大致模型。 5 於第一步驟中，亦即生物化學步驟中，定名為微陣列 之曰a片可^供用來檢測於給定之未知(標把）DNA樣本之全 部k-元體。此步驟稱作為雜交。k_元體集合稱作為範圍。各 個k-元體稱作為探頭。

於第二步驟中，亦即综合步驟中，可提供得自k-元體 10集合之原先序列之演繹法則重組。用於此項目的，習知晶 片可以不同k-元體製備(k_元體例如可稱作為TGT、tga、 TGG、CTT、CTG、CTA、GAA、GAT、GAC)。當樣本接 觸此種晶片或陣列時，當與捕獲分子互補之k-元體為寡核 苷酸時，加標記之標靶DNA序列可雜交至k元體。 15 纟切㈣未雜交探頭kH標I&DNA。於此種情

況下，可藉洗滌來去除此等探頭。隨後，可檢測剩餘之加 標記的標把DNA。例如，具有CTG序列之捕捉探頭係與具 ^GAC序列之生物探頭互補。由所得範圍，經由實施電腦 f繹法則’熟諳技藝人士瞭解標乾序列之重組為可能。雜 2〇父的k-兀體整體標示為範圍。如此，經由應用電腦演釋法 則，可由所得範圍重組該標靶序列。 但此種習知辦法有多項缺點，特別樣本之準備及 日日片價格昂責且速度慢，需要有高度熟練技巧之工作人員 來準備樣本’檢測層面要求DNM標乾及k-元體)的PCR (聚 20 200928346 合酶連鎖反應)擴增，以及讀出標記價格昂貴且易出錯。 基於有關SBH之前述認知，本發明已經開發此處所述 之具體實施例，該實施例係基於所謂之低語高響廊模式檢 測方法。 5 Φ 10 15 φ 20 第5圖顯示基於其上附接二氧化矽微球1〇4之圓柱形光 纖106之低§吾南響廊模式檢測方法。顯示傳播的電磁輕射束 500,涉及微球104與光纖1〇6間之特徵性交互作用。 低語尚響廊模式(WGM)為特定微腔諧振模式。WGM出 現於當某種頻率光500於具有圓形幾何之介電媒質1〇4中行 進時。於彎曲邊界重複全内反射後，電磁場本身關閉，產 生諧振。 根據本發明之具體實補，WGM特別係應用於dna定 序。 第6圖顯示WG]VNt〇何發揮作用之示意說明圖。 雷射114將光輕合入光纖⑽，光纖⑽具有一核心議 及一護套6G2。顯示水_4’其中提供微球104與該光纖106 作功能接觸。f用者_可透過顯微鏡監_合程序。 先-氧化石夕微球1〇4輕合至光纖。然後光纖 2射1錢概振峰(微球雨巾之模型)作為頻 譜蜂。 a纟顯不―不意圖610，具有以奈米將波長作 頁612及具有以任意單位順其方向將強 軸 614。 " 員丁匕3球形二氧化矽本體112及周圍蛋白質 21 200928346 或募核苷酸層118之官能化微球104之放大視圖。 當具有半徑「a」之二氧化矽球體112以具有厚度「【」 之生物分子塗覆時’塗覆層將其半徑改成a+t，因而將此球 體之讀振峰由λ偏移至λ+Δλ。如此’可以頻譜中諧振峰之 5 改變檢測生物分子的存在》 第7圖顯示一實例頻譜700,具有橫軸702,波長順橫柄 作圖，及具有縱轴704，強度係順縱軸作圖。第一曲線7〇6 係有關無任何生物分子附接至微球104之情況。第二曲線 708係有關生物分子附接至微球1〇4故可檢測得諧振頻率之 10 (紅)偏移之情況。 根據本發明之一具體實施例，WGM可藉雜交用mDNa 定序’特別涉及敏感度增高之優點，因此極少擴增即足， 免除使用標籤進行檢測故可降低成本，此種系統容易整合 CMOS技術’避免因標籤檢測造成之錯誤讀出，以及顯著簡 15 化樣本製備步驟。 再度參考第1圖之實施例’連結至第一光纖1〇6之微球 104可以k-元體1 (亦即ACG)塗覆，連結至第二光纖1〇7之微 球104可以k-元體2(亦即CGC)塗覆，固定至第三光纖1〇8之 微球104可以k-元體3 (亦即GCA)塗覆，連結至第四光纖1〇9 20 之微球1〇4可以k-元體4 (亦即CAT)塗覆，以及附接相對應之 微球104之第五光纖105係以k-元體5 (亦即ATC)塗覆。 至於第一步驟，裝置100可如第1圖所示製備。其次， 可觸發標靶序列之雜交。欲檢測之此種標靶序列為先前未 知，但於本實例假定為ACGCATC。然後，於執行雜交檢定 200928346 分析後，域1G6至⑽之各__。_錄 k-元體職各個球魏之譜振峰中被檢測為偏移。: 交之k_7C料會造成賴之峰偏移。法則(諸如習 知電腦演科則）可驗由脉_顧重建錄序列。 進一步細節舉例說明於第8圖。 於第8圖中，DNA樣本序列標示以元件符號_。透過 雜交程序·，獲得查詢後該實例之範圍，標示以元件符號

謝。於重組程序8财，序_係由得自多根光纖崎 UO之個別序列部分_重組。換言之，序列8_由該實例 1〇 之範圍重組。 第9圖顯示習知辦法’單-光纖9⑻其上附接兩個不同 的微球902、904。該頻譜内之相對應信號係以示意頻譜⑽ 顯示。如頻譜920顯示，檢測事件發生於由炎套922所圍繞 之第-微球902。第三頻譜930係關於罩斗922覆蓋第一微球 15 902及第二微球9_聯罩斗924之情況。由頻譜92〇可知， S1因生物分子而偏移，同時52維持不變（或反之亦然）。第 三圖930顯示S1及S2偏移。 S1及S2之偏移可根據被塗覆之生物分子類型而不同。 如此唯有於簡單情況可區別附接至個別球體之生物分子之 2〇 特定類型。 最後，須注意前述實施例舉例說明本發明而非限制 性，熟諳技藝人士未悖離如隨附之申請專利範圍界定之本 發明之範圍可設計多個其它實施例。於申請專利範圍中， 全。卩括孤内之元件符號不可解譯為限制申請專利範圍。「包 23 200928346 含」一詞並未排除任何申請專利範圍或說明書整體所列舉 之70件或步驟以外之其它元件或步驟的存在。單次述及— 元件並未排除多次述及此等元件，以及反之亦然。於列舉 若干手段之裝置申請專利範圍中若干手段可藉軟體或硬體 5其中之一項或同一項具體實施。於不同的申請專利範圍獨 立項中所引述之某些措施並未指示無法優異地使用此等措 施之組合。 【圖式簡單說明】 第1圖至第4圖顯示根據本發明之具體實施例之生物感 0 1〇 測器裝置。 第5圖顯示根據本發明之具體實施例耦合至光纖之微 球體作為WGM檢測之基礎之放大視圖。 - 第6圖顯示根據本發明之具體實施例執行WGM檢測之 方法。 15 第7圖顯示根據本發明之具體實施例之檢測頻譜。 第8圖示意顯示根據本發明之一種DNA定序方法。 第9圖顯示習知檢測體系。 〇 【主要元件符號說明】 100…生物感測器裝置 112…球形微本體、微球 102."電磁輻射發射件 114···電磁輻射源、光源 104…感測器活性結構、微球、116…電磁輻射檢測器、光檢測 器、光二極體 118··.捕獲分子、k-元體 130…光纖 雷射二極體 106-109…電磁輻射發射單元 110···電磁輻射發射單元 24 200928346 、 132…分布節點 614...縱軸 . 134...控制單元、評估單元 700...頻譜 136...使用者介面 702...橫軸 150...傳播方向 704...縱軸 200...生物感測器裝置 706...第一曲線 202...CCD檢測器 708...第二曲線 204-212···節段 800...DNA樣本序列 300…生物感測器裝置 ® 400…生物感測器裝置 802.. .雜交程序 804.. .查詢後之範圍 402...平板 806…重組程序 404...壁面 808...個別序列部分 500...傳播的電磁輻射束 900...光纖 600…核心 902...微球 602...護套 904...微球 604...水滴 910...示意頻譜 A 606…使用者 馨 608...顯微鏡 920...頻譜 922…夾套、罩斗 610...示意圖 924...罩斗 612...橫軸 930...第三頻譜、第三圖 25

Claims (1)

1. 200928346 七、申請專利範圍： 1. -種用於檢·物粒子之生物感測_置，該生物感測 器裝置包含 適用於發射電磁輻射之一電磁輻射發射件； 配置於該電磁轄射發射件之多個感測器活性結 構，其中該等多個感測器活性結構各自 敏感.且適合於個別生物粒子存在下 射件之電磁輻射發射性質； 其中該電磁轄射發射件係適用於同時檢測於該等 多個感測器活性結構之不同者之不同生物粒子。 2·如申請專利範圍第1項之生物感測器裝置，其中該電磁 轄射發射件包含多數空間上分開的電磁輻射發射單 元，該等多數感測器活性結構各自係配置於該等多數空 間上分開的電磁輻射發射單元之一選定者。 3. 如申請專利範圍第2項之生物感測器裝置，其中該等多 數空間上分開的電磁輻射發射單元包含多數光波導，特 別為多數光纖，該等多數感測器活性結構各自係配置於 該等多數光波導之一選定者。 4. 如申請專利範圍第3項之生物感測器裝置，其中該等多 數光波導係平行校準。 5·如申請專利範圍第1項之生物感測器裝置，其中該等多 數感測器活性結構各自包含一微本體，特別為微球，更 特別為二氧化矽微球。 6.如申請專利範圍第：項之生物感測器裝置，包含適用於 26 200928346 產生欲耦合入該電磁輻射發射件之電磁輻射之一電磁 輕射源。 7. 如申請專利範圍第1項之生物感測器裝置，包含於電磁 輻射順著該電磁輻射發射件傳播後適用於檢測該電磁 輻射之一電磁輻射檢測器。 8. 如申請專利範圍第1項之生物感測器裝置，其係適用於 作為一 DNA定序生物感測器裝置。 9. 如申請專利範圍第1項之生物感測器裝置，其係適用於 藉該等多數感測器活性結構與生物粒子間之雜交事件 來定序該等生物粒子。 10. 如申請專利範圍第1項之生物感測器裝置，其係適用於 於該等多數感測器活性結構中之不同者之不同生物粒 子之多工化檢測。 11. 如申請專利範圍第1項之生物感測器裝置，其係適用於 以一低語高響廊模式檢測為基礎進行不同生物粒子之 同時檢測。 12. 如申請專利範圍第1項之生物感測器裝置，包含配置於 該等多數感測器活性結構各自表面且係適合用來與該 等生物粒子交互作用之一個或多個捕獲分子。 13. 如申請專利範圍第1項之生物感測器裝置，包含適用於 評估該檢測藉此識別該等生物粒子之一評估單元。 14. 如申請專利範圍第1項之生物感測器裝置，其係以互補 金氧半導體(CMOS)技術製造。 15. —種檢測生物粒子之方法，該方法包含 27 200928346 順著其上附接多數感測器活性結構之一電磁輻射 發射件而發射電磁輻射，其中該等多數感測器活性結構 各自對特定生物粒子敏感； 於該等多數感測器活性結構之個別者存在有個別生物 粒子之情況下，經由評估該電磁輻射發射件之已修改的 電磁輻射發射性質而同時檢測於該等多數感測器活性 結構之不同者之不同生物粒子。

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