TWI437222B - 用於測量生物分子之螢光檢測系統、方法及裝置 - Google Patents

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Description

用於測量生物分子之螢光檢測系統、方法及裝置
本發明係關於一種用於測量生物分子之螢光檢測系統、方法及裝置，尤指一種結合光電半導體來測量生物分子之螢光檢測系統、方法及裝置。
在於醫學臨床上，透過檢測人體各種生物分子的含量，例如血液、尿液等體液中糖類、蛋白質等生物分子含量的變化，則可初步評估人體各器官運作是否正常。舉例而言，在腎臟病的臨床檢測上，可測量尿蛋白含量評估腎臟中腎小球的功能是否正常。
傳統上檢測尿蛋白含量，為了定性可使用試紙分析，不過此種方法可能會出現偽陽性或偽陰性的測試結果，造成誤判；為了定量可使用免疫比濁法、高壓液相層析法、螢光檢測法等方法，前述兩種方法可更為精確量測出蛋白質含量，但其操作複雜且儀器與試劑價格昂貴，而第三種方法則必須使用複雜的光學儀器同時搭配光訊號分析軟體，因此前述方法需要花費較多成本及時間，整體檢測流程的便利性不佳。
因此，若能發展出靈敏性高、準確率高、尺寸小、成本低的生物感應器，能夠讓針對特定的生物分子進行檢測，並且不需耗費太多時間可迅速獲得檢測結果，如此便可讓患者自行初步檢測，進而免去需去醫院進行細部檢察所耗費之時間，達到事先預防的效果。
鑒於上述，本發明之一態樣提供一種用於測量生物分子之螢光檢測系統，包括：一螢光檢測裝置，包括：一基板及複數個位於該基板表面之光電晶體，每一光電晶體包含：一射極、一位於該基板上之集極、以及一夾置於該射極及該集極之間的基極，其中該基集極介面吸收螢光而轉換成光電流；一光源，以激發生物分子樣本所含之螢光染色劑；一樣本裝填單元，將經光照射之生物分子樣本裝填於該螢光檢測裝置之感應區；以及一分析讀取裝置，於施加一偏壓於該螢光檢測裝置時，測量該螢光檢測裝置輸出之電流。此螢光檢測系統中，該分析讀取裝置可以更包括一計算模組，係以該電流計算出該生物分子樣本中生物分子的含量。上述樣本裝填單元，亦可包含樣本傳輸功能，使生物分子樣本流經該螢光檢測裝置之感應區。
本發明另一態樣提供一種用於測量生物分子之螢光檢測方法，包括以下步驟：以一光源照射一含有螢光染色劑之生物分子樣本；使用一螢光檢測裝置於施加一偏壓下檢測該生物分子樣本，其中該螢光檢測裝置包括：一基板及複數個位於該基板表面之光電晶體，每一光電晶體包含：一射極、一位於該基板上之集極、以及一夾置於該射極及該集極之間的基極，其中該基集極介面吸收螢光而轉換成光電流；以及測量該螢光檢測裝置所輸出的電流。此螢光檢測方法中，可以更包括以下步驟：將該電流對照一電流-含量標準曲線，以讀取出該生物分子樣本中生物分子的含量。
本發明再一態樣提供一種用於測量生物分子之螢光檢測裝置，包括：一基板；以及複數個光電晶體，位於該基板表面，每一光電晶體包含：一射極、一位於該基板上之集極、以及一夾置於該射極及該集極之間的基極，其中該基集極介面吸收螢光而轉換成光電流。
上述施加於螢光檢測裝置之偏壓範圍，會因螢光檢測裝置材料與光電晶體總數不同而改變，所以沒有特別限制，只要能夠讓分析讀取系統測到電流訊號即可，較佳為能夠讓電流訊號大小與生物分子含量成正比的範圍。舉例而言，可使用的偏壓為0.5至50V，更佳為1至10V。
上述螢光檢測裝置中，各光電晶體的射極面積，若小於基極時，可使光電晶體具有寬廣的基極面積，如此將有利於螢光吸收。此外，各光電晶體可以部份並聯連接或全部並聯連接，以期能獲得更強的電流訊號，並且可陣列排列，集中佈局整合成較小體積。各光電晶體中射極、基極與集極可使用的材料系統也沒有限制，例如可使用AlGaAs/GaAs、InGaP/GaAs、AlInAs/InGaAs/InP、InP/InGaAs、InP/GaAsSb/InP、AlInAs/GaAsSb/InP、Si/SiGe、GaN/SiC等至少一材料系統。
上述光源係提供激發光使結合於生物分子的螢光染色劑受到激發成為激發態，所以光源的種類需根據所搭配的螢光染色劑來選擇，例如使用IR-783螢光染色劑時，則使用紅色LED燈光、白色LED燈光或紅外線LED燈光皆可達到使螢光染色劑躍升為激發態的效果。對於光源照射生物樣本的時間，會與螢光染色劑、螢光檢測裝置、光源的波長、強度有關，但原則上愈短愈好，以期將測量生物分子所需的時間降至最低。舉例而言，當使用IR-783螢光染色劑時，則可使用白色LED燈光照射30秒至30分鐘，更佳為照射5至15分鐘。
上述該螢光染色劑，可根據生物分子的種類，選擇專一性結合的螢光染色劑。舉例而言，若人體血清白蛋白為偵測目標時，則可使用IR-783，其對於人體血清白蛋白具有專一性。
本發明上述螢光檢測裝置、系統及方法，可適用的生物性分子種類不限，只要能夠使用到適合的螢光染色劑，以及適用的光電材料系統，不論核酸、醣類或蛋白質，甚至是脂類、磷脂、糖脂、固醇、維生素、激素、胺基酸、核苷酸、胜肽等，皆可為適合的檢測標的。
綜上所述，本發明在光電晶體上，運用特殊的螢光染色劑與待測物進行鍵結，並根據螢光染色劑本身特性使用其所需的激發光源，例如紅外線螢光染色劑IR-783可使用一般可見光進行激發，使螢光染色劑吸收光能而發出光電晶體可吸收之波長範圍的光，讓光電晶體轉換成光電流，進而得知待測物的含量。換言之，本發明結合光電晶體及螢光化學反應兩技術，而提出用於測量生物分子之螢光檢測系統、方法及裝置，且本發明針對低濃度的生物分子具有良好的靈敏度，可即時且迅速獲知待測生物分子的濃度變化，相較於以往須經由複雜的儀器的螢光法檢測，此一整合在生物分子的感測上具有快速的優勢性。
本發明所提供的用於測量生物分子之螢光檢測系統、方法及裝置，係利用光電晶體結合螢光化學反應，藉由觀測待測生物分子所誘發的光電流，可迅速得知其中生物分子的含量。
本發明的螢光檢測裝置中，含有多個光電晶體，其總數沒有限制，可依據需要而決定，例如10個、20個、40個、80個、200個、400個、800個、1000個，甚至更高的數量皆可，且可為部份並聯或全數並聯連接，亦可考慮將光電晶體陣列排列。
本發明所使用的螢光染色劑，可考量欲檢測的生物分子種類、所使用的光電晶體材料系統等因素，選擇適合的螢光染色劑。舉例而言，若針對DNA檢測的話，則可使用溴化乙錠(ethidium bromide)，當其嵌於DNA時，經紫外線激發後則可發出螢光，其他例如SYTOX Blue、SYTOX Green、SYTOX Orange、Acridine Orange、LDS 751等亦可與DNA結合，分別經特定波長的光源激發後也可發出螢光；若針對蛋白質檢測，例如人類血清白蛋白，則可使用專一性的IR-783螢光染劑。針對糖類或其於生物分子，本發明相關領域中通常知識者可以輕易取得適用螢光染色劑的相關資訊。
關於光電晶體材料系統，因為不同的材料對於光有其可吸收的波長範圍與對應的吸收係數，因此在選擇所使用的螢光染色劑種類時，除了考慮到生物分子的種類外，亦要考慮到螢光染色劑經激發後所發出的光線，是否能為光電晶體材料系統所吸收而轉化成光電流。因此，在本發明光電晶體中基極與集極的材料系統，須搭配適用的螢光染色劑。
本發明所使用的光源，其功率及波長範圍沒有特別限制，主要係根據所使用的螢光染色劑來選擇適用的光源，舉例而言，可使用功率為-32至-50dBm、波長為790~900nm之紅外線LED燈光；功率為-35至-70dBm、波長為605至735nm之紅色LED燈光；或功率為-33至-65dBm、波長為400至85nm之白色LED燈光。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
本發明之實施例中該等圖式均為簡化之示意圖。惟該等圖示僅顯示與本發明有關之元件，其所顯示之元件非為實際實施時之態樣，其實際實施時之元件數目、形狀等比例為一選擇性之設計，且其元件佈局型態可能更複雜。
實施例一　螢光檢測裝置
首先，準備KOPIN所生產的晶圓(其中材料主要為AlGaAs/GaAs)，晶圓經過清洗後，反覆結合使用光微影(photolithography)、及濕蝕刻製程(wet etching process)，定義出射極平台區域、基極平台區域、集極平台區域、以及射極金屬線路區域、集極金屬線路區域，並以蒸鍍製作射極金屬電極、集極金屬電極、及其金屬線路(金屬材料例如使用鎳、鍺、金、鈦、鋁或其組合)，並且經高溫處理使金屬與半導體層有良好的歐姆接觸效果，最後沉積鈍化層(例如氮化矽)保護光電晶體，如此便可製得NPN異質接面的光電晶體。後續再利用光微影製程結合蒸鍍製程，於60個陣列排列之光電晶體間製出並聯光電晶體的金屬線路，以完成螢光檢測裝置。
圖1係所製得之光電晶體的剖面示意圖。由圖1可知，副集極11位於基板10表面，集極12與集極金屬線路121皆位於副集極11表面，集極金屬線路121圍繞於集極12周圍但未與其連接；基極13位於集極12表面，且因本發明利用螢光產生電子電洞供給基極電流，因此基極13不需製作金屬電極；射極14位於基極13表面且其尺寸小於基極13，故此光電晶體具有寬廣的基極13有利於螢光吸收，增進光電晶體的靈敏度；射極帽蓋15夾置於射極14及射極金屬電極140之間，射極金屬線路141連接；射極金屬線路141嵌埋於鈍化層16中，且此鈍化層16隔開集極金屬線路121與集極12，並覆蓋集極金屬線路121、集極12、基極13、射極14、射極帽蓋15、射極金屬電極140暴露的表面，以絕緣保護光電晶體。
圖2係顯示60個陣列排列之光電晶體中，兩個並聯光電晶體的線路佈局圖。由圖2可知，利用集極金屬線路121、射極金屬線路141並聯兩相鄰光電晶體，並分別於金屬線路並聯的交集處定義為集極電極墊122、射極電極墊142。後續實驗時，集極電極墊122則用於連接電源正極，射極電極墊142則用於連接電源負極，如此便可分別給予集極12與射極14適當的偏壓，其中A區顯示光電晶體感測樣本螢光的區域。
實施例二　人類血清白蛋白含量測定
使用磷酸滴定所配製之pH 7.4、10mM Na2 HPO4 的緩衝溶液，稀釋人類血清白蛋白(human serum albumin)為0.01、0.03、0.05、0.07mg/mL。
將由Sigma Aldrich所購買之紅外線螢光染色劑IR-783(C38 H46 CIN2 NaO6 S2 ，結構如下所示)，先以微量甲醇溶解後，使用前述10mM Na2 HPO4 的緩衝溶液稀釋為0.02mg/mL。此螢光染色劑對人體血清白蛋白有專一性，當與人體血清白蛋白結合後會進入化學穩定態，一旦受激發光照射則會吸收光能躍升至激發態而發出螢光，其放射光頻譜介於750至850nm之間，與實施例一螢光檢測裝置中光電晶體的基極(GaAs)可吸收的光波長範圍相符，故此紅外線螢光染色劑可適用於前述實施例一所製得的螢光檢測裝置。
先行準備將Agilent製造之B1500A半導體裝置分析儀連接至探針平台(probe station)，並取實施例一之螢光檢測裝置至於平台上待後續使用。
不同濃度待量測之蛋白質溶液，與等量體積前述配製的紅外線螢光染色劑混合，使用功率範圍為-32至-50dBm、放射波長範圍為790~900nm之紅外線LED燈光照射混合溶液5分鐘後，使用微量分注器取1μL滴於實施例一螢光檢測裝置中光電晶體之A區，避光等待30秒避免任何微小誤差，以半導體裝置分析儀提供螢光檢測裝置1.0V的偏壓，同時收集螢光檢測裝置輸出的光電流。
其結果如圖3所示，在0.01至0.07mg/mL間，可得出一條隨著人類血清白蛋白濃度增加，光電流也隨之線性比例增加的直線，其關係式為Y=7.13×10-8 +5.72×10-10 X，其中的Y值為光電流的大小，單位是安培，X值為人類血清白蛋白濃度，單位為μg/mL。此結果表示，實施例一之螢光檢測裝置，而人類血清白蛋白濃度介於0.01至0.07mg/mL之間時，人類血清白蛋白濃度每增加1μg/mL，其光電流的反應約會增加0.572nA的大小。
由上述可知，先行製出電流-濃度之標準曲線後，則可利用本發明之螢光檢測裝置，搭配螢光化學反應，針對未知濃度的人類血清白蛋白溶液進行測定，由所獲的電流，便可比對標準曲線而可得知所測溶液的人類血清白蛋白濃度。
實施例三　螢光檢測系統
本實施例針對光電晶體的製備方法同實施例一，但本實施例使用808個光電晶體並聯形成螢光檢測裝置，並將此螢光檢測裝置固定於印刷電路板上，且使用打線機將螢光檢測裝置電極墊與印刷電路板上的金屬部份連接。
圖4係螢光檢測系統的配置示意圖。參考圖4所示，準備樣本供應槽40、蠕動幫浦30(Baoding Longer Precision Pump Co.,Ltd.的BT-1002J)、光源70、廢液回收槽50、及半導體裝置分析儀60。以2mm流管31做為流道，利用蠕動幫浦30，將人類血清白蛋白溶液自樣本供應槽40經由流管31輸至螢光檢測裝置20表面的感測區後，經由另一測之流管31傳輸至廢液回收槽50。另一方面，使用單心線將螢光檢測裝置20與半導體裝置分析儀60連接。由此可知，蠕動幫浦30及流管31如同樣本裝填單元，用於傳輸或裝填生物分子樣本。
於人類血清白蛋白含量測定時，將實施例一所配置的人類血清白蛋白溶液，與螢光染色劑等量混合形成樣本溶液，注入樣本供應槽40中。本實施例使用紅外線LED燈光做為光源70，持續照射樣本供應槽40中之溶液，啟動蠕動幫浦30將經照射的溶液經流管31輸至螢光檢測裝置20表面的感測區。另一方面，以半導體裝置分析儀60持續給予螢光檢測裝置20偏壓(1V)，同時開始收集電流訊號。
上述依序檢測四種不同濃度(0.01、0.03、0.05、0.07mg/mL)的人類血清白蛋白溶液，不同濃度檢測之間係使用純水清洗流道，其結果如圖5所示之電流-時間圖。
由圖5可知，起始數秒為暗電流的狀態，此時待測溶液尚未進入流道中，在標示為T1的時間區間為0.01mg/mL之人類血清白蛋白溶液導入，結果顯示其維持於穩定的數值範圍，而後通入純水進行清洗，此時電流值明顯下降，回到接近初始暗電流的大小。而後，依序通入0.03mg/mL、0.05mg/mL、0.07mg/mL之人類血清白蛋白溶液，且兩不同濃度間使用純水清洗，於圖上分別以T2、T3、T4代表其時間區間。隨著通入溶液濃度之變化，可得到光電流隨濃度成正相關之增加，再分別取出T1、T2、T3、T4時間區間中的量測結果做分析，得到關係式Y=1.6×10-6 +1.38×10-8 X之線性結果，其中Y值為電流，單位是安培，X值為人類血清白蛋白濃度，單位為μg/mL，此關係式代表濃度每增加1μg/mL，其光電流的反應約會增加13.8nA的大小。
由上述可知，若將半導體裝置分析儀60連接計算模組，並將上述線性關係式輸入計算模組中，便可利用計算模組直接計算而顯示出所測得的濃度，如此則可分析未知濃度的蛋白質樣本溶液。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
10．．．基板
11．．．副集極
12．．．集極
121．．．集極金屬線路
122．．．集極電極墊
13．．．基極
14．．．射極
140．．．射極金屬電極
141．．．射極金屬線路
142．．．射極電極墊
15．．．射極帽蓋
16．．．鈍化層
A．．．螢光感測區
20．．．螢光檢測裝置
30．．．蠕動幫浦
31,31’．．．流管
40．．．樣本供應槽
50．．．廢液回收槽
60．．．半導體裝置分析儀
70．．．光源
圖1係本發明實施例一中光電晶體的剖面示意圖
圖2係本發明實施例一中兩個並聯光電晶體的線路佈局圖。
圖3係本發明實施例二中人體血清白蛋白之電流-濃度標準曲線圖。
圖4係本發明實施例三之螢光檢測系統的配置示意圖。
圖5係本發明實施例三中人體血清白蛋白之電流-濃度標準曲線圖。。

Claims (18)

  1. 一種用於測量生物分子之螢光檢測系統，包括：一螢光檢測裝置，包括：一基板及複數個位於該基板表面之光電晶體，每一光電晶體包含：一射極、一位於該基板上之集極、以及一夾置於該射極及該集極之間的基極，其中該基極所需之電流係由螢光產生之電子電洞所供給，且該螢光檢測裝置未製作一連接該基極之金屬電極，以及該基集極介面吸收螢光而轉換成光電流；一光源，以激發生物分子樣本所含之螢光染色劑；一樣本裝填單元，將經光照射之生物分子樣本裝填於該螢光檢測裝置之感應區；以及一分析讀取裝置，於施加一偏壓於該螢光檢測裝置時，測量該螢光檢測裝置輸出之電流。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之螢光檢測系統，其中，該分析讀取裝置更包括一計算模組，係以該電流計算出該生物分子樣本中生物分子的含量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之螢光檢測系統，其中，該螢光檢測裝置中該些光電晶體之該射極面積係小於該基極。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之螢光檢測系統，其中，該螢光檢測裝置中該些光電晶體係並聯連接。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之螢光檢測系統，其中，該螢光檢測裝置中該些光電晶體之該射極、該集極及該基極的材料系統選自由AlGaAs/GaAs、InGaP/GaAs、 AlInAs/InGaAs/InP、InP/InGaAs、InP/GaAsSb/InP、AlInAs/GaAsSb/InP、Si/SiGe、及GaN/SiC所組群組之至少一者。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之螢光檢測系統，其中，該光源係激發該螢光染色劑成為激發態。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之螢光檢測系統，其中，該生物分子係選自由核酸、醣類、蛋白質、脂類、磷脂、糖脂、固醇、維生素、激素、胺基酸、核苷酸、胜肽所組群組其中一者。
  8. 一種用於測量生物分子之螢光檢測方法，包括以下步驟：以一激發光源照射一含有螢光染色劑之生物分子樣本，其中該螢光染色劑係與該生物分子樣本中的生物分子進行鍵結；使用一螢光檢測裝置於施加一偏壓下檢測該生物分子樣本，其中該螢光檢測裝置包括：一基板及複數個位於該基板表面之光電晶體，每一光電晶體包含：一射極、一位於該基板上之集極、以及一夾置於該射極及該集極之間的基極，其中該基極所需之電流係由螢光產生之電子電洞所供給，且該螢光檢測裝置未製作一連接該基極之金屬電極，以及該生物分子樣本係直接通過該光電晶體表面，且該基集極介面吸收螢光而轉換成光電流；以及測量該螢光檢測裝置所輸出的電流。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之螢光檢測方法，更包括以下步驟：將該電流對照一電流-含量標準曲線，以讀取出該生物分子樣本中生物分子的含量。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之螢光檢測方法，其中，該螢光檢測裝置中該些光電晶體之該射極面積係小於該基極。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之螢光檢測方法，其中，該些光電晶體係並聯連接。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之螢光檢測方法，其中，該螢光檢測裝置中該些光電晶體之該射極、該集極及該基極的材料系統選自由AlGaAs/GaAs、InGaP/GaAs、AlInAs/InGaAs/InP、InP/InGaAs、InP/GaAsSb/InP、AlInAs/GaAsSb/InP、Si/SiGe、及GaN/SiC所組群組之至少一者。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之螢光檢測方法，其中，該光源係激發該螢光染色劑成為激發態。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之螢光檢測方法，其中，該生物分子係選自由核酸、醣類、蛋白質、脂類、磷脂、糖脂、固醇、維生素、激素、胺基酸、核苷酸、胜肽所組群組其中一者。
  15. 一種用於測量生物分子之螢光檢測裝置，包括：一基板；以及複數個光電晶體，位於該基板表面，每一光電晶體包含：一射極、一位於該基板上之集極、以及一夾置於該射 極及該集極之間的基極，其中該基極所需之電流係由螢光產生之電子電洞所供給，且該螢光檢測裝置未製作一連接該基極之金屬電極，以及該基集極介面吸收螢光而轉換成光電流。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之螢光檢測裝置，其中，該些光電晶體之該射極面積係小於該基極。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之螢光檢測裝置，其中，該些光電晶體係並聯連接。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之螢光檢測裝置，其中，該些光電晶體之該射極、該集極及該基極的材料系統選自由AlGaAs/GaAs、InGaP/GaAs、AlInAs/InGaAs/InP、InP/InGaAs、InP/GaAsSb/InP、AlInAs/GaAsSb/InP、Si/SiGe、及GaN/SiC所組群組之至少一者。
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