TWI645186B

TWI645186B - 用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統

Info

Publication number: TWI645186B
Application number: TW106146369A
Authority: TW
Inventors: 莊承鑫; 杜翌群; 朱沛妤
Original assignee: 南臺學校財團法人南臺科技大學
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2018-12-21
Also published as: TW201930870A

Abstract

本發明關於一種用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，其係包含感測器及可攜式檢測儀，其中，感測器包含吸收層、傳感層及輸送層，而檢測儀包含檢測槽、一用於針對檢體進行阻抗量測與計算之控制模組及用於顯示檢體之檢測結果的顯示模組，藉此，使感測器插置於檢測槽後，針對感測器之檢體進行阻抗量測與計算，並於檢測儀顯示檢測結果。

Description

用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統

本發明係關於一種用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，尤指能透過感測器感測檢體後，利用具可攜式電路模組之檢測儀完成生物檢測之系統者。

根據Total Biosensor Market 2016年市場分析調查當中顯示，生物檢測儀用於居家照護將會是生醫檢測未來之發展方式，且預估將有超過65%以上的使用族群著重於家庭診斷，使病患能於家中透過簡便且低成本的設備達到檢測功能。

由於紙張具有低成本、高生產性及通用性...等特點，且利用紙張所製成之感測器能適用於較彈性、可移植、一次性及能簡易操作之檢測，其所賦予之可攜性、便利性及立即性使紙型感測器逐漸成為生物感測器未來之發展趨勢。是以，中國大陸公告第103041876號專利即揭示有一種「三維微流控紙芯片的製備及在現場電化學檢測中的應用」，其係於三張濾紙上批量打印出疏水蠟圖案，待熔蠟成型後，於濾紙上批量網印陣列工作電極、參比電極與對電極，並於濾紙的無工作電極面上批量打印辣根過氧化物酶和氧化酶，接著，裁剪紙芯片後透過雙面膠片粘合濾紙以構成電化學三維微流控紙芯片夾。然而，上述紙型感測器必需連結電化學工作站來讀取檢測數據，以獲知反應電流強弱程度，進而完成生物材料分析檢測，因此，該感測器雖能提升檢測操作之便利性，卻無法增進後續量測數值分析之效率，而仍有待改進之缺失。

發明人有鑑於先前技術之紙型感測器仍具有無法增進感測器後續量測數值分析效率之缺失。是以，本發明之目的乃是提供一種用於讀取檢測數據且具有可攜式電路檢測儀之系統。

為達前揭目的，本發明提供一種用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，該系統包含：一感測器，應用於生物檢測，且包含：一吸收層，為無塵紙，用以吸收多餘檢體；一傳感層，結合於該吸收層，且包含一具有電極圖案之基板，位於該電極圖案表面修飾有抗體奈米粒子，並於該基板上方結合有膠粘劑，且該傳感層之膠粘劑係固化而形成疏水區域；以及一輸送層，以親水膠結合於該傳感層，且包含一濾紙，位於該濾紙上方結合有膠粘劑，且該輸送層之膠粘劑係固化而形成疏水區域及一供運輸檢體之流道；以及一檢測儀，該檢測儀為可攜式阻抗晶片檢測儀，且用於檢測該感測器所運輸之檢體，並包含：一殼體，具有一供該感測器插置之檢測槽；一控制模組，用於針對該檢體進行阻抗量測與計算，且包含用以自動偵測多個檢測點之增益最佳化模組及用以選定最佳檢測點之阻抗解調模組，並於完成阻抗計算後確認是否超出誤差範圍；一顯示模組，結合於該殼體並電性連結於控制模組，用於顯示檢體之檢測結果或警示提醒；以及一無線傳輸裝置，用以將該檢測結果傳輸至雲端系統。

基於上述，使感測器能透過輸送層及傳感層讓檢測電極與參考電極同時反應，再將感測器插置於檢測儀之檢測槽，以針對感測器上之檢體進行阻抗量測與計算，並直接於檢測儀顯示檢體之檢測結果或警示提醒，進而增進生醫檢測之便利性與效率。

本發明：

1‧‧‧系統

2‧‧‧感測器

21‧‧‧吸收層

22‧‧‧傳感層

221‧‧‧基板

222‧‧‧電極圖案

223‧‧‧膠粘劑

224‧‧‧抗體奈米粒子

23‧‧‧輸送層

231‧‧‧濾紙

232‧‧‧膠粘劑

233‧‧‧流道

24‧‧‧過濾層

25‧‧‧殼體

251‧‧‧窗口

3‧‧‧檢測儀

31‧‧‧殼體

311‧‧‧檢測槽

312‧‧‧插槽

32‧‧‧控制模組

321‧‧‧增益最佳化模組

322‧‧‧阻抗解調模組

33‧‧‧顯示模組

34‧‧‧無線傳輸裝置

35‧‧‧充電模組

36‧‧‧感溫模組

4‧‧‧雲端系統

5‧‧‧檢體

S21~S25‧‧‧感測器製作步驟

S30~39‧‧‧檢測儀檢測步驟

第1圖係本發明之架構圖。

第2圖係本發明感測器之立體分解圖。

第3-A~3-B圖係本發明感測器之製作流程圖。

第4圖係本發明檢測儀之立體分解圖。

第5圖係本發明檢測儀之電路結構示意圖。

第6~7圖係本發明進行生物檢測之示意圖。

第8圖係本發明進行生物檢測之流程圖。

第9圖係本發明感測器實驗之檢測結果之示意圖。

第10圖係本發明檢測儀與市售量測機台檢測結果之比較圖。

為使貴審查委員瞭解本發明欲達成目的所運用之技術、手段及功效，餘下，茲列舉一較佳實施例並配合圖式，詳細說明如後：首先，請參閱第1圖所示，本發明之系統1包含一感測器2、一檢測儀3以及一雲端系統4，其中，感測器2應用於生物檢測，且包含一吸收層21、一傳感層22以及一輸送層23(配合參閱第2圖)，該吸收層21為無塵紙，用以吸收多餘檢體；該傳感層22結合於吸收層21，且包含一具有電極圖案222之基板221，位於電極圖案222表面修飾有抗體奈米粒子224(圖中未顯示)，並於基板221上方結合有膠粘劑223，且膠粘劑223係固化而形成疏水區域，於本發明之較佳實施例中，基板221可為紙基板、PET膜或玻璃基板；該輸送層23以親水膠結合於傳感層22，且包含一濾紙231，位於濾紙231上方結合有膠粘劑232，且膠粘劑232係固化而形成疏水區域及一供運輸檢體之流道233，於本發明之較佳實施例中，流道233包含用以驅動檢體流動之微幫浦。

以下係以紙基板感測器2為實施例進行說明：紙基板感測器2製作上(配合參閱第3-A~3-B圖)，(步驟S21)係選用具適當孔洞大小之濾紙作為印刷紙基板221，再藉由網版印刷技術或凹版模具軋輥將導電溶液印刷於紙基板221以形成具特定形狀之電極圖案222，較佳者，該導電溶液為貴金屬溶液，特別為銀膠溶液。而其電極圖案222為指叉式電極，並以左右兩邊呈梳狀排列。接著，(步驟S22)於紙基板221噴塗適量紫外線膠粘劑223，並使膠粘劑223穿透紙張深度，再透過照射UV燈使膠體固化而能遮蔽特定區域並於紙基板221形成疏水區域；且於另一濾紙231噴塗適量紫外線膠粘劑232，並同樣透過UV燈使膠體固化，使濾紙231具有疏水區域，並使濾紙231未噴塗膠體之部分形成一流道233，以構成輸送層23。(步驟S23)位於電極圖案222表面修飾可結合待檢測分子之抗體奈米粒子224以構成一傳感層22。(步驟S24)以親水膠依序將傳感層22及輸送層23貼合於一吸收層21，以藉吸收層21吸收多餘檢體；並構成一紙基板感測器2(步驟S25)。且能將該感測器2封裝於一具窗口251之殼體25，並於殼體25與感測器2之間設一過濾層24(請回顧第2圖)。

其次，請配合參閱第4~5圖所示，該檢測儀3為可攜式阻抗晶片檢測儀3，且用於檢測感測器2所運輸之檢體，並包含一殼體31、一控制模組32、一顯示模組33、一無線傳輸裝置34、一充電模組35以及一感溫模組36，其中，殼體31具有一供感測器2插置之檢測槽311(請回顧第1圖)；該控制模組32用於針對感測器2上之檢體5進行阻抗量測與計算，且包含用以自動偵測多個檢測點之增益最佳化模組321及用以選定最佳檢測點之阻抗解調模組322，並於完成阻抗計算後確認是否超出誤差範圍，於本發明之一實施例中，控制模組32電路為現場可程式化閘陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)晶片；該顯示模組33包含有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode,OLED)，且結合於殼體31並電性連結於控制模組32，用於顯示檢體5之檢測結果或警示提醒；該無線傳輸裝置34為藍牙(Blue tooth)，且用以將感測器2之檢測結果傳輸至雲端系統4；該充電模組35係於殼體31形成一供連結外部電力之USB插槽312，以藉插槽312提供或儲存檢測儀3所需電力；該感溫模組36用以感測檢體5溫度是否位於設定範圍，並於未達設定範圍時進行增溫。

接著，請參閱第6~7圖所示，由於近年來慢性腎臟病之盛行率於世界各國有逐年攀升的趨勢，且於本國有約九成以上患者不知自身罹患此病而延誤治療，因此，本發明之研究實驗係將系統1設計應用於尿液中蛋白質含量檢測。其係使用尺寸1微米之聚苯胺生物微米探針(PANI MPs)，利用氧化還原方式將氧化鋁(Al₂O₃)粒子表面包覆導電性聚苯胺(PANDB)材料，以矽烷官能基修飾粒子表面以供抗體鍵結形成探針並擔任生物識別元件，而無鍵結抗體之探針則作為對照，並分別將有鍵結抗體及無鍵結抗體之探針修飾於檢測區及參考區表面。

於此實驗中，係先將檢測儀3開機進行暖機及自我校正後(配合參閱第8圖)，將紙基板感測器2插置於檢測儀3之檢測槽311，並於感測器2之窗口251滴上去離子水以進行晶片起始值量測(Z0)，接著以蛋白質溶液為檢體5滴入紙基板感測器2，使檢體5經由過濾層24緩衝後，透過流道233之微幫浦以輸入電壓5V、頻率40Hz下達到最佳流率389μL/min、背壓6cm-H2O，進而驅動檢體5於生物晶片表面流動導引至檢測區及參考區，(步驟S30)透過生物抗體與蛋白質之間產生免疫分析反應5分鐘後，(步驟S31)透過感溫模組36進行檢體5溫度感測，於本實施例中，較佳溫度設定範圍為26℃~30℃，(步驟S32)若檢體5溫度未達設定範圍，則感溫模組36之溫控與馬達驅動以進行增溫，(步驟S33)並於增溫後再次檢查溫度與反應時間，接著，(步驟S34)沖洗所滴上之去離子水後進行阻抗量測及(步驟S35)計算阻抗，由於所反應的蛋白質溶液中，抗原會與抗體產生自組性相嫁接現象，故能推算其阻抗變化率以獲知檢體5反應結果，(步驟S36)當所推算之結果未超出設定範圍時，(步驟S37)則記錄並將檢測結果顯示於檢測儀3，而所推算之結果超出設定範圍時，(步驟S38)則確認是否落在量測範圍，若未落在量測範圍，(步驟S39)則透過控制模組32之增益最佳化模組321之繼電器陣列切換增益電阻，並藉阻抗解調模組322選定最佳檢測點後回傳，(返回步驟S34)以重新進行阻抗量測。

目前檢測蛋白質對應疾病之範圍可分為五期：

●慢性腎臟病第一期(尿液異常但腎功能正常)Albumin白蛋白含量<30mg/24hr

●慢性腎臟病第二期(輕度慢性腎臟病)Albumin白蛋白含量<30mg/24hr

●慢性腎臟病第三期(中度慢性腎臟病)Albumin白蛋白含量30~299mg/24hr

●慢性腎臟病第四期(重度慢性腎臟病)Albumin白蛋白含量>300mg/24hr

●慢性腎臟病第五期(末期腎臟病)Albumin白蛋白含量>300mg/24hr

經本實驗結果，請配合參閱第9圖，其感測器2檢測變化率約達14倍，已達到白蛋白濃度最低檢測極限0.3mg/ml(請參下表1)，與目前市售試紙極限相同，故推算本發明之感測器2能達成第四期慢性腎臟病之辨別。

此外，本發明之檢測儀3以比較範圍1K~1M(Ω)、量測頻率10KHz與市售阻抗分析儀(LCR Meter)進行比較(請配合參閱第10圖)，其比較結果顯示，本發明之檢測儀3其誤差值均控制於1~2%範圍內，故與市售阻抗分析儀數值並無明顯差異，而能用於取代體積龐大之阻抗分析儀。

是以，使用本發明之系統顯然能達成如下之功效：

1. 本發明之感測器能配合生物免疫反應機制使其能應用於多種檢測領域，並具有多功能性、快速、高靈敏度及低成本等優點，而能用於臨床與化學分析及疾病檢測、食安問題、農藥殘留、流感病毒或是毒品篩檢…等其它檢測領域。

2. 本發明之檢測儀體積小、具可攜性，故能取代體積龐大之阻抗分析儀，並能供病患於家中透過簡便且低成本的設備達到檢測功能，提升居家照護之便利性。

3. 本發明之檢測儀能搭配感測器進行檢體檢測後，將檢測結果透過無線傳輸裝置上傳至雲端系統，以供照護人員或醫療機構作為追蹤與診療之參考依據。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之實施範圍，凡未脫離本發明技術精神所為之變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

綜上所述，本發明確實已突破傳統並具有改良及創新之創作內容且能具體實施，理應符合發明專利之法定要件，爰依法提出專利申請，懇請鈞局審查委員授予合法專利權，以勵創作，至感德便。

Claims

一種用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，包含：一感測器，應用於生物檢測，且包含：一吸收層，為無塵紙，用以吸收多餘檢體；一傳感層，結合於該吸收層，且包含一具有電極圖案之基板，位於該電極圖案表面修飾有抗體奈米粒子，並於該基板上方結合有膠粘劑，且該傳感層之膠粘劑係固化而形成疏水區域；以及一輸送層，以親水膠結合於該傳感層，且包含一濾紙，位於該濾紙上方結合有膠粘劑，且該輸送層之膠粘劑係固化而形成疏水區域及一供運輸檢體之流道；以及一檢測儀，該檢測儀為可攜式阻抗晶片檢測儀，且用於檢測該感測器所運輸之檢體，並包含：一殼體，具有一供該感測器插置之檢測槽；一控制模組，用於針對該檢體進行阻抗量測與計算，且包含用以自動偵測多個檢測點之增益最佳化模組及用以選定最佳檢測點之阻抗解調模組，並於完成阻抗計算後確認是否超出誤差範圍；一顯示模組，結合於該殼體並電性連結於該控制模組，用於顯示該檢體之檢測結果或警示提醒；以及一無線傳輸裝置，用以將該檢測結果傳輸至雲端系統。
如請求項1所述之用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，其中，該感測器之基板為紙基板、PET膜或玻璃基板。
如請求項1所述之用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，其中，該基板之電極圖案為指叉式電極。
如請求項1所述之用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，其中，該流道更包含用以驅動檢體流動之微幫浦。
如請求項1所述之用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，其中，該無線傳輸裝置為藍牙(Blue tooth)。
如請求項1所述之用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，其中，該檢測儀更包含一充電模組，並於該殼體形成一供連結外部電力插槽，以藉該插槽提供或儲存該檢測儀所需電力。
如請求項1所述之用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，其中，該檢測儀之控制模組電路為現場可程式化閘陣列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)晶片。
如請求項1所述之用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，其中，該檢測儀更包含感溫模組，該感溫模組用以感測該檢體之溫度是否位於設定範圍，並於未達設定範圍時進行增溫。
如請求項8所述之用於生物檢測之阻抗晶片檢測系統，其中，該感溫模組之溫度設定範圍為26℃~30℃。