TWI585403B - No Enzyme Glucose Detection Wafer - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種檢測工具,特別係指一種無酵素葡萄糖檢測晶片。
按,糖尿病係為目前全球最嚴重之健康問題。截至2015年,國際糖尿病聯合會指出全球將近387億人面臨糖尿病之威脅,其中90%的人為第二型糖尿病病患。而第二型糖尿病係指身體無法充分利用由胰腺所製造之胰島素,導致其血糖不穩定,因此,對於第二型糖尿病患者來說,定期檢測血糖對於維持血糖水平乃為十分重要者。
目前許多技術以被用於連續血糖監測,整體來說,電化學及光學方法係常被使用之技術。基於電化學感測器具有成本低、實用性高、簡單操作等優點,因此,電化學感測器係為目前商業上接受度最高之工具。更進一步來說,現有電化學感測器係利用酵素法來達到檢測葡萄糖濃度之目的。於酵素法中,葡萄糖藉由葡萄糖特異性葡萄糖氧化酶催化而被氧化為葡萄糖酸內酯,其優點在於對於葡萄糖具有高反應,並且對於葡萄糖檢測具有高特異性,惟,使用葡萄糖氧化酶係具有以下缺點:需要複雜且多之固定步驟、對於熱及化學之穩定性不佳、容易降解。
基於酵素法之缺點,使得目前如血糖試紙等檢測血糖所需耗材,不僅製造成本高,並且保存不易,倘若葡萄糖氧化酶因為環境因素而
降解,則會導致檢測結果偏差。換言之,目前以酵素法所發展之血糖檢測技術仍具有許多缺失需要改進。
本發明之主要目的係在於提供一種無酵素葡萄糖檢測晶片,其係能於無葡萄糖氧化酶之環境下直接且準確地檢測樣本中葡萄糖濃度,而能減少傳統血糖檢測因為試紙酵素變質所造成之誤差。
本發明之另一目的係在於提供一種大量製備無酵素葡萄糖檢測晶片之方法,其係能夠達到穩定品質、簡化製造流程及降低成本之功效。
為能達成上述目的,本發明所揭一種無酵素葡萄糖檢測晶片,其包含有:一基板,一檢測部,設於該基板之一端面,複數凸部,設於該檢測部,一導電層,設於該基板具有該等凸部之一面,複數金奈米顆粒,散設於各該凸部表面。
較佳地,各該凸部係呈半球形。
較佳地,各該凸部係呈柱狀。
較佳地,各該凸部係為微米等級大小。
較佳地,各該凸部之直徑係為1~20微米,舉例來說,各該凸部之直徑為1、2、5、10、12、15或20微米。
較佳地,各該金奈米顆粒之直徑係為2~100奈米,舉例來說,各該金奈米顆粒之直徑為2、4、6、8、10、20、30、40、50、60、70、80、90或100奈米。
再者,本發明係揭露一種大量製備上述無酵素葡萄糖檢測晶
片之方法,其包含下列步驟:
步驟a:取一基材,於其一面塗布光刻膠塗層。
步驟b:以光微影蝕刻技術處理該基材,使該基材上含有複數個檢測部,並且,各該檢測部係具有一光刻膠陣列。
步驟c:將一金薄膜濺鍍於該基材具有該光刻膠陣列之表面。
步驟d:將該基材裁切為複數個基板,而各該基板上包含一檢測部。步驟e:使金奈米顆粒均勻地被散設於各該光刻膠陣列表面。
步驟f:獲得大量無酵素葡萄糖檢測晶片。
較佳地,更包含一熱熔融步驟,設於該步驟b及c之間,藉由高於光刻膠之玻璃轉化溫度之溫度,使該光刻膠陣列變形。
較佳地,更包含一封裝步驟,設於該步驟e及f之間,使一封裝層蓋設於該基板上除該檢測部外之區域。
較佳地,更包含一封裝步驟,設於步驟f及g之間,使一封裝層蓋設於該基板上除該檢測部外之區域。
(10)(10’)‧‧‧無酵素葡萄糖檢測晶片
(20)(20’)‧‧‧基板
(22’)‧‧‧檢測部
(30)‧‧‧光刻膠層
(40)‧‧‧柱狀光刻膠陣列
(50)(50’)‧‧‧半球狀光刻膠陣列
(51)(51’)‧‧‧凸部
(60)‧‧‧金薄膜
(61)(61’)‧‧‧金奈米顆粒
(70’)‧‧‧封裝層
(80’)‧‧‧葡萄糖
(90’)‧‧‧基材
第一圖A係為清潔矽晶片及光刻膠塗層之示意圖。
第一圖B係為曝光與顯影之示意圖。
第一圖C係為熱熔融步驟之示意圖。
第一圖D係為金薄膜濺射及設置金奈米顆粒。
第二圖A係為一大型基板上刻蝕複數檢測部之示意圖。
第二圖B係為本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片封裝之示意圖。
第二圖C係顯示本發明所揭各該凸部係為微米/奈米雜合之結構。
第三圖A係於45度之視角觀察金濺射步驟後之半球狀陣列。
第三圖B係為單個凸部之高度放大圖像。
第三圖C係於設置金奈米顆粒步驟後,觀察該凸部陣列之結果。
第三圖D係於設置金奈米顆粒步驟後,觀察單個凸部之結果。
第四圖A係為本發明所揭凸部與普通金電極之循環伏安圖,其中,紅線代表普通金電極,藍線代表本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片。
第四圖B係根據第四圖A所得本發明所揭凸部與普通金電極之電流-時間曲線圖,其中,紅線代表普通金電極,藍線代表本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片。
第四圖C係藉由循環伏安法於不同掃描速率下分析本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片所得之循環伏安圖。
第四圖D係顯示掃描速率之平方根與電流間之線性關係,其中,紅線代表普通金電極,藍線代表本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片。
第五圖A係本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片藉由循環伏安法於葡萄糖濃度下檢測所得到之循環伏安圖。
第五圖B係本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片以電流分析法所得到結果,其中,方框內代表相關標準曲線。
第六圖係本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片依序注入葡萄糖、抗壞血酸及葡萄糖之檢測結果。
第七圖係為檢測本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片穩定性之結果。
本發明揭無酵素葡萄糖檢測晶片係包含一基板,一檢測部,設於該基板一端面,複數凸部,均勻佈設於該檢測部,一導電層,係設於該基板具有該等凸部之一面;複數金奈米顆粒,係均勻佈設於各該凸部表面。本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片係以具有金奈米粒子之凸部係作為電極,其係為微米與奈米所組成之結構,能夠直接地與葡萄糖反應,而不須有任何葡萄糖氧化酶或/及任何介質。
本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片係由係由光微影蝕刻術、光阻熱熔法及金薄膜濺射步驟所製備。首先,藉由光微影蝕刻術,使該基板上具有光刻膠陣列後,進行光阻熱熔法,藉由加熱軟化該光刻膠陣列,再進行金薄膜濺射步驟,使該基板上具有金奈米薄膜,而後使金奈米粒子係設置於各該具有金薄膜之凸部表面,而可獲得本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片。
而將上述製備方法應用於大尺寸之基材上時,可同時於該基材上製作出多個無酵素葡萄糖檢測晶片,亦即該基材可裁切成為複數個適當大小之基板,並且,使各該基板上具有一個檢測部。
請參閱第一圖,本發明之實施例中係揭露一連續製造出本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片(10),所包含步驟係如下所述。
(一)清潔矽晶片及光刻膠塗層
取一由預定大小之矽晶片所組成之基板(20),係依序於丙酮、酒精及去離子水中分別以超音波清洗,再以氮氣吹該基板(20),並且以熱板去除殘留之水分。
首先,於該基板(20)上塗布六甲基二矽氮烷(HMDS),
用以增加基板表面與光刻膠(photoresist)塗層間之黏合度,再將光刻膠旋塗方式塗於該基板(20)表面,形成一光刻膠層(30)。
以本發明之一實施例來說,光刻膠係為AZ1518正光刻膠,其所使用之旋塗參數如下:第一級之旋轉速度為500rpm,旋轉時間為10秒;第二級之旋轉速度為1500rpm,旋轉時間為40秒,而光刻膠層之塗佈厚度約為1~10μm,又以3μm為佳。
最後,將該已具有光刻膠層之基板進行以如烘烤等方式進行乾燥。
(二)曝光與顯影
使用光罩對準機將所需圖案轉移至該基板(20)上之光刻膠層(30)。而後以2.38%THAM顯影液處理,結果如第一圖B所示,得到一含有具有柱狀光刻膠陣列(40)之矽晶片。
於本發明之一實施例中,光罩對準機之型號為EVG620,光源強度為約22mW/cm2(i-line),曝光時間約為7.5秒,而於顯影時間為約50秒。
顯影狀況係得以光學顯微鏡確認。
(三)熱熔融步驟
藉由逐步增加環境溫度而高於光刻膠之玻璃轉化溫度,基於表面張力之影響,使該柱狀光刻膠陣列(40)係於熱熔融過程中逐漸形成一半球狀光刻膠陣列(50),具有複數個凸部(51),如第一圖C所示。
於本發明之一實施例中,AZ1518正光刻膠之玻璃轉化溫度為130℃,並且,於5分鐘內使環境溫度逐漸增加至150℃。
再者,於製作本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之過程中,熱熔融步驟係在於使柱狀光刻膠陣列變為半球形光刻膠陣列,惟,熱熔融步驟係非製作無酵素葡萄糖晶片之必要步驟,亦即若所欲使用之光刻膠陣列為非半球形時,可省略此步驟。
(四)金薄膜濺射及沈積金奈米顆粒
熱熔融步驟後,先以直流濺鍍法濺射金薄膜(60)於該基板(20)具有該半球形光刻膠陣列(50)之表面後,再將該等金奈米顆粒(61)均勻接設於各該半球形光刻膠陣列表面,以能獲得本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片,如第一圖D所示。
於本發明之一實施例中,係以直流濺鍍機於基板上濺鍍金薄膜層,濺鍍條件如下:壓力為0.08毫巴,電流為30毫安,處理時間為135秒。為能確保濺射金薄膜之均勻性,樣品通常會以5℃/分鐘之加熱速率加熱至120℃,並且保持該溫度約80分鐘,最後再將樣品冷卻至室溫。
更進一步來說,為能確保感測區域之一致性,亦得增加一封裝步驟,而該封裝步驟係能於金奈米顆粒沈積前或後進行。
於本發明之一實施例中,係藉由網版印刷技術進行封裝。詳言之,取一基材,依據前述實施例之光微影蝕刻術、光阻熱熔法及金薄膜濺射等步驟加以處理後,再將該基材進行裁切,裁切成為複數塊基板,而各該基板上具有一檢測部。將裁切好之該基材以一膠帶固定,而後以特定圖案之網印版對準該基材,塗上油墨後,使油墨覆蓋除感測部外之區域,移除網印版,待油墨乾燥後,再自該膠帶上逐一移除已裁切之各該基板,再進行後續金奈米顆粒沈積等步驟。
於本發明之一實施例中,先將導電銀線設於一載玻片上作為導線,再以一預定大小且具有一孔之封口膜與該無酵素葡萄糖檢測晶片相黏合,使該封口膜上之孔係對應該檢測部,並且該封口膜係用於覆蓋住該無酵素葡萄糖檢測晶片上之非檢測部之區塊及該載玻片。
於本發明之一實施例中,於濺鍍完金薄膜層後,係以分子層修飾各該凸部表面,例如以APTMS分子溶液修飾各該凸部表面。
本發明所揭金奈米顆粒係以本發明所屬技術領域且具通常知識者之周知技術加以製備,詳細技術內容係可參考I.-C. Ni, S.-C. Yang, C.-W. Jiang, C.-S. Luo, W. Kuo, K.-J. Lin, et al., Formation mechanism, patterning, and physical properties of gold-nanoparticle films assembled by an interaction-controlled centrifugal method, The Journal of Physical Chemistry C, 116(2012) 8095-101,於此不加以贅述。
請參閱第二圖,其係本發明所揭另一較佳實施例之製備流程:該基材(90’)係為8吋矽晶片(厚度約700μm;昇陽半導體國際,臺灣),於其上設有約80個呈圓形之檢測部(22’),其直徑約為8毫米。以光微影刻蝕技術於各該檢測部上刻蝕出超過2百萬個以六角緊密排列之柱狀光刻膠陣列,而後以熱熔融技術該柱狀光刻膠陣列形成半球狀之光刻膠陣列(50’),具有複數個凸部(51’),其中,各該凸部(51’)之直徑及彼此間之間距皆為3μm。將該基材(90’)具有檢測部(22’)之表面先濺鍍金薄膜及其修飾,再裁切為複數各基板(20’),而各該基板(20’)上含有一檢測部(22’)。將裁切好之該基材(90’)以網版印刷技術進行封裝,使各該基板(20’)上除該檢測部(22’)之區域上係覆蓋一封裝層(70’),完
成封裝後,使金奈米顆粒(61’)沈積於各該凸部(51’)上,完成複數個本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片(10’)。更請參閱第二圖C,該無酵素葡萄糖檢測晶片(10’)係能藉由各該凸部(51’)上之金奈米顆粒(61’)與葡萄糖(80’)反應,達到以無酵素之方式檢測葡萄糖汁效果。
而於本發明之一實施例中,該凸部之排列方式係非六角排列,亦得達成本發明之功效。
此外,於本發明所揭實施例中,該基材之尺寸及該檢測部之尺寸係可依據製造需求而改變,舉例來說,該基材可使用6吋矽晶片,並且,於該6吋係晶片上以設置40個檢測部為佳。
以下將藉由若干實例並搭配圖式,說明本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之結構及其效能,其中,以下實例係以SP-150恆電位儀(Bio-Logic,USA)作為電化學檢測儀器。
實例一:觀察無酵素葡萄糖檢測晶片之製作過程
請參閱第三圖,其使用場發射電子顯微鏡(field emission gun scanning electron microscopy;JSM-6700F,JEOL,Japan)觀察本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之半球狀陣列凸部之外觀。
第三圖A係顯示成功熱熔融後,將光微影技術所形成之柱狀凸部陣列轉換成為半球狀凸部陣列。各該半球狀凸部之高度約為2微米,如第三圖A中之方框所示,並且各等半球狀凸部係均勻排列。
第三圖B係顯示各該凸部之直徑約為4微米。由於表面張力及書水性,於熱熔融步驟後,該正光刻膠層之圖案區域有些許擴張。
請再參第三圖C及D,其係指出金奈米顆粒係均勻地沈積於
各該凸部表面,並且,使各該半球形凸部之外型仍維持完整性。而金奈米顆粒之尺寸約為20nm(如第四圖D之方框所示)。
實例二:循環伏安法分析本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片
於本實例中係以循環伏安法係於0.1M磷酸鹽緩衝液(ph值為7.0)中,以掃描速率50mV.s-1,估算本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之凸部實際感測區域,結果如第四圖A及B所示。
請參第四圖B,於水平線下之區域為0電流,代表電極進行完全還原所需之總電荷,因此,第四圖B係顯示對於本發明所揭凸部來說,水平線下之區域面積為1120.6μC。基於1平方公分金電極需要390μC之總電荷以形成氧化金,是以,本發明所揭凸部之有效感測區預估計為2.873平方公分(1120.6μC/390μC)普通金電極之循環伏安圖。而本發明所揭凸部之水平線下之幾何區域大約為普通金電極之10.2倍。
再者,以不同掃描速率:25、50、75、100、150、200、250、300、350、400mV.s-1於含有5.56mM葡萄糖電解質之0.1M氫氧化鈉溶液中,藉由循環伏安法觀察本發明所揭凸部,結果如第四圖C所示。由第四圖C之結果可知,隨著掃描速率之增加,峰電流及峰電位亦增加。典型擴散反應可以藉由下列Randles-Sevcik方程式進行確認:i p =2.69 x 105 x n 3/2 x A x C x D1/2 x v 1/2
其中,i p 代表峰電流(A)之值;n代表出現於半反應中用於氧化還原電子對之電子數目;A為電極面積(平方公分);C為分析物之濃度(mol/cm3);D為分析物之擴散率(V/s)。假設A、C、D皆為固定時,i p 正比為掃描速率之平方根。
本發明所揭凸部之該峰電流與掃描速率之線性關係係如第四圖D所示。由第四圖D之結果可知峰電流與掃描速率之平方根具有高度且線性之關聯性。因此,本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片係表現出典型擴散控制之電化學行為,而能夠適合於含有實際定量分析之應用。再者,以Randles-Sevcik線之斜率來說,本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片約為普通金電極之2.7倍,亦即本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片具有更佳之質量傳遞效率。
實例三:分析本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之靈敏度
藉由循環伏安法,以掃描速率50mV.s-1,於0.1M氫氧化鈉溶液中含有不同濃度之葡萄糖:0、0.06、0.28、0.56、1.39、2.78、4.16、5.56、6.94、8.32、9.71、11.10及13.89mM之條件下,得到如第五圖A所示循環伏安圖,其中每次測量揭重複5次。
再者,連續加入1mM葡萄糖至本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片,並且以電流分析法進行分析,結果如第五圖B所示。詳言之,將本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片浸泡於持續攪拌之0.1M氫氧化鈉溶液,並且提供0.1V之恆定電位。而後,將1mM葡萄糖定期加入氫氧化鈉溶液中,並且隨著處理時間紀錄軌跡。安培電流係隨著每次加入葡萄糖而快速增加。此外,於本分析中,係重新排列每一步驟所測得之電流與其相關葡萄糖濃度,描繪出如第五圖B之方框所示標準曲線。
由第五圖A之結果可知,線性檢測之範圍為55.56μM至13.89mM,高R2值為0.9985。由此結果可計算出本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之敏感度為749.2μA.mM-1.cm-2,檢測極限為9μM。而由第五圖
B之結果可知,標準曲線是線性正比於葡萄糖濃度範圍於1~13mM,具有0.9976之相關係數,並且,靈敏度為222.3μA.mM-1.cm-2。
根據上述結果可知,本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之高靈敏度係來自於其具有較大之有效感測面積,能夠使相當量葡萄糖氧化。
實例四:分析本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之選擇性
人體血液中如抗壞血酸等其他物質會干擾葡萄糖檢測儀器之效能,此原因在於正常人體內之葡萄糖濃度(3-8mM)係較干擾物質濃度(~0.1mM)高很多,因此,將葡萄糖與抗壞血酸之濃度比降為10可用於檢測本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之選擇性。
將本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片於可操作電位0.1V之條件下,依序注入1mM葡萄糖、0.1mM抗壞血酸及含有1mM葡萄糖之0.1M氫氧化鈉溶液,進行檢測,結果如第六圖所示。由第六圖之結果顯示本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片幾乎不受到抗壞血酸之干擾。
實例五:分析本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之穩定性
以含有5.56mM葡萄糖之0.1M氫氧化鈉溶作為電解質,藉由20次循環伏安循環檢測本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之穩定性,結果如第七圖所示。
因為電解質未被攪拌,葡萄糖氧化反應於第一次掃描時會是最強及最迅速,是以,第一次循環伏安掃描之波峰係高於後續之掃描。第一次掃描後,於電極(即該凸部)表面附近之葡萄糖被反應而消耗,導致後續掃描所得觀察之反應減少。惟,第二次掃描後,波峰電流變化很小,此乃因為葡萄糖持續擴散至電極表面,並且擴散及反應速度幾乎相同,使
得反應係於後續掃描產生些微變化。由此結果顯示,本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片係具有高穩定性。
此外,本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片於室溫下儲存於空氣中兩個月後,其檢測性能仍保持不便。換言之,本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片保存容易,不受外界環境因素影響而變質或變性,完全解決習知葡萄糖檢測試紙會受到環境因子而變質之缺失。
實例六:功效比較結果
由文獻中找到其他無酵素葡萄糖感測器,如下表一所示:
而比較上述標號1-7之無酵素葡萄糖檢測器與本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片之靈敏度、檢測最低極限(LOD)、線性範圍,結果如下表二所示。
由上表二之結果可知,本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片不論是穩定度、靈敏度、檢測最低極限或線性範圍皆顯著優於目前已知無酵素葡萄糖檢測工具。
藉由上述說明可知,本發明所揭無酵素葡萄糖檢測晶片係具有製作過程簡單、成本低、容易保存之優點。
以上僅是藉由各該實例詳細說明本發明,熟知該技術領域者於不脫離本發明精神下,而對於說明書中之實施例所做的任何簡單修改或是變化,均應為本案申請專利範圍所得涵攝者。
(10)‧‧‧無酵素葡萄糖檢測晶片
(20)‧‧‧基板
(60)‧‧‧金薄膜
(61)‧‧‧金奈米顆粒
Claims (10)
- 一種無酵素葡萄糖檢測晶片,其包含有:一基板;一檢測部,設於該基板之一端面;複數凸部,設於該檢測部;一導電層,設於該基板具有該等凸部之一面;複數金奈米顆粒,散設於各該凸部表面。
- 依據申請專利範圍第1項所述無酵素葡萄糖檢測晶片,其中,各該凸部係呈半球形。
- 依據申請專利範圍第1項所述無酵素葡萄糖檢測晶片,其中,各該凸部係呈柱狀。
- 依據申請專利範圍第1項所述無酵素葡萄糖檢測晶片,其中,各該凸部係為微米等級大小。
- 依據申請專利範圍第2項所述無酵素葡萄糖檢測晶片,其中,各該凸部之直徑係為1~20微米。
- 依據申請專利範圍第1項所述無酵素葡萄糖檢測晶片,其中,各該金奈米顆粒之直徑係為2~100奈米。
- 一種大量製備無酵素葡萄糖檢測晶片之方法,其包含下列步驟:步驟a:取一基材,於其一面塗布光刻膠塗層;步驟b:以光微影蝕刻技術處理該基材,使該基材上含有複數個檢測部,並且,各該檢測部係具有一光刻膠陣列;步驟c:將一金薄膜濺鍍於該基材具有該光刻膠陣列之表面; 步驟d:將該基材裁切為複數個基板,而各該基板上包含一檢測部;步驟e:使金奈米顆粒均勻地被散設於各該光刻膠陣列表面;步驟f:獲得大量無酵素葡萄糖檢測晶片。
- 依據申請專利範圍第7項所述大量製備無酵素葡萄糖檢測晶片之方法,其更包含一熱熔融步驟,介於該步驟b及c之間,藉由高於光刻膠之玻璃轉化溫度之溫度,使該光刻膠陣列變形。
- 依據申請專利範圍第7項所述大量製備無酵素葡萄糖檢測晶片之方法,其更包含一封裝步驟,設於該步驟e及f之間,使一封裝層蓋設於該基板上除該檢測部外之區域。
- 依據申請專利範圍第8項所述大量製備無酵素葡萄糖檢測晶片之方法,其更包含一封裝步驟,設於步驟e及f之間,使一封裝層蓋設於該基板上除該檢測部外之區域。
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