TWI668440B - 用於電化學阻抗式生物晶片品管之電極組件以及對電化學阻抗式生物晶片進行品管之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種電化學阻抗式生物晶片之電極組件以及利用該電極組件進行品管之方法，該電極組件包括一量測電極、一第一工作電極、至少一接觸量測電極以及一第一工作電極的生物受體、一跨接該量測電極以及該第一工作電極並接觸該生物受體的檢測層，該檢測層係一導電材料；以及一與該第一工作電極組成迴路之對電極，據此，可藉由量測該量測電極以及該第一工作電極之間的電性以評估該檢測層的結構完整性。

Description

用於電化學阻抗式生物晶片品管之電極組件以及對電化學阻抗式生物晶片進行品管之方法
本發明有關一種生物晶片以及對該生物晶片進行品管之方法，尤指一種電化學阻抗式生物晶片之電極組件以及對該電化學阻抗式生物晶片進行品管之方法。
大部分的生物晶片的原理，是當該晶片之辨識元件與待測物相互作用產生物理或化學變化之時，可依其反應發生的特性，配合光學法、電化學法、熱學法、或聲學法將物理或化學能量進行轉化並偵測其變化。
目前許多生物晶片透過固定在電極上的受體結合待測樣品，再透過傳感器偵測局部表面的改變。上述「變化」包括許多面向，以電化學阻抗頻譜分析法(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)的阻抗式生物晶片為例，係藉由變頻之交流弦波訊號來偵測兩電極間的阻抗值變化，經由計算獲得待測定物的濃度，具有靈敏度高、檢測成本低、檢測程序簡便等優點。為更進一步提升如靈敏度、降低阻抗基準、或者縮小晶片體積等目的，許多團隊也對於上述的阻抗式生物晶片進行各式改良。 以美國發明專利公告號US8663451為例，該專利的阻抗式生物晶片的電極和抓取探針上連接有特殊的連接物，該連接物為R2-(CH2)m-(R3)n-(CH2)k-R1，其中，R1為用於結合蛋白質、DNA、RNA或酶之抓取探針的官能基，如-C(=O)-OH、-C(=O)H、-NH2或環氧基；R2則是用於連接金、鉑、銀或銦錫氧化物(ITO)電極的官能基，如-SH、-S-C(=O)-CH3、硫化物基團、二硫化物基團或矽烷基團；R3為噻吩；n為1至4；m及k分別獨立為0至5。由於該專利所使用的連接物的阻抗基準低於傳統的長鏈硫醇連接物達三個數量級，提供氧化還原對在電性上更可及的表面，可增加氧化還原對產生的法拉第電流。
包括前述專利在內的習知技術裡，阻抗式生物晶片在其工作電極上會鍍上各種適合的材料形成檢測層以進行感測，但在此步驟後往往還會進行後續的加工，譬如打線、封裝等過程，方完成電化學阻抗式生物晶片的製造，但在此過程中難免造成生物晶片的物理性破壞，損害生物晶片的檢測功能。對此，以往多藉由抽測特定數量的產品以進行品管，然此方法無法確保所有的電化學阻抗式生物晶片的品質，有必要提出一種更有效率的品管方法，以滿足相關產業之需求。
本發明的主要目的，在於解決習知技術中，考量時間及成本等諸多現實因素，僅能藉由抽測方式對電化學阻抗式生物晶片進行品管，而無法確保所有的電化學阻抗式生物晶片的品質的缺陷。
為達上述目的，本發明提出一種用於電化學阻抗式生物晶片品管之電極組件以及利用該電極組件所進行的品管方法，俾使電化學阻抗式生 物晶片在製造過程中、或者製造之後得以簡易且快速地進行品管，除了品管用途外，該電極組件也同時具備有量測用途。
據此，本發明提供一種用於電化學阻抗式生物晶片品管之電極組件，包括：一量測電極；一第一工作電極；至少一接觸該量測電極以及該第一工作電極的生物受體；一跨接該量測電極以及該第一工作電極並接觸該生物受體的檢測層，該檢測層係一導電材料；以及一與該第一工作電極組成迴路之對電極，其中，藉由量測該量測電極以及該第一工作電極之間的一電性以評估該檢測層的結構完整性。
本發明並提供一種對電化學阻抗式生物晶片進行品管之方法，包括：提供複數個電化學阻抗式生物晶片，每一該電化學阻抗式生物晶片具有複數個電極組件，每一該電極組件包括：一量測電極；一第一工作電極；至少一接觸該量測電極以及該第一工作電極的生物受體；一跨接該量測電極以及該第一工作電極的檢測層並接觸該生物受體的檢測層，該檢測層係一導電材料；以及一與該第一工作電極組成迴路之對電極；以及量測該些電化學阻抗式生物晶片之該量測電極以及該第一工作電極之間的一電性而根據該電性評估該檢測層的結構完整性。
本發明利用跨接該量測電極以及該第一工作電極的該檢測層的設置，達到量測該量測電極以及該第一工作電極之間的電性的目的，換言之，如一電極組件所測得的電性數值與一預設之基準數值相比、或者與其他電極組件的量測數值相比出現異常，則代表該檢測層的結構完整性不佳，影響形成於該檢測層上之該些生物受體，使該電化學阻抗式生物晶片功能損壞。相較於習知藉由抽測特定數量的產品以進行品管的方法，本發明的品 管方法不僅可簡易、快速地評該估檢測層的結構完整性，更能確保所有待驗的電化學阻抗式生物晶片的品質。
10‧‧‧量測電極
11‧‧‧第一條狀電極
12‧‧‧第一指狀電極
20‧‧‧第一工作電極
21‧‧‧第二條狀電極
22‧‧‧第二指狀電極
30‧‧‧生物受體
40‧‧‧檢測層
50‧‧‧對電極
60‧‧‧參考電極
70‧‧‧絕緣層
『圖1』為本發明一實施例中，部分電化學阻抗式生物晶片之電極組件示意圖。
『圖2』為本發明一實施例中，電化學阻抗式生物晶片之電極組件示意圖。
『圖3』為本發明一實施例中，生物受體設置之示意圖。
『圖4』為本發明一實施例中，有缺陷的電化學阻抗式生物晶片之電極組件示意圖。
『圖5』為本發明另一實施例中，電化學阻抗式生物晶片之電極組件示意圖。
『圖6』為利用本發明一實施例之電化學阻抗式生物晶片之電極組件進行品管之示意圖。
有關本發明的詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請參考『圖1』及『圖2』，分別為本發明一實施例中未包括一檢測層之電化學阻抗式生物晶片之電極組件半成品以及包括該檢測層之電極組件示意圖，下文中將以雙極式電化學阻抗頻譜(EIS)生物晶片進行說明。
本實施例中，該電化學阻抗式生物晶片之電極組件包括一量測電極10、一第一工作電極20、至少一生物受體30、一檢測層40、以及一對電極50。
該量測電極10具有一朝一方向延伸的第一條狀電極11以及一自該第一條狀電極11延伸，並且與該第一條狀電極11之延伸方向垂直的第一指狀電極12。
該第一工作電極20的外觀結構與該量測電極10相似，亦具有一第二條狀電極21以及一自該第二條狀電極延伸的第二指狀電極22，該第二條狀電極21的延伸方向與該第一條狀電極11相同，且該第二指狀電極22與該第一指狀電極12交錯排列。
該量測電極10與該第一工作電極20並不僅限於指狀電極，於本發明其他的實施例中，也可為其他形狀的電極。
該檢測層40跨接該量測電極10以及該第一工作電極20，本實施例中，該檢測層40係一導電材料，舉例來說，可視需求選用一如單壁奈米碳管、多壁奈米碳管、石墨烯、氧化石墨烯、或上述之任意組合。於另一實施例中，該檢測層40可更包括一樹酯，譬如可為一由奈米碳材與樹酯所構成之塗層。適用之該樹酯並無特別之限制，可為一般高分子、或為由有機或無機材質所構成之樹酯，非限制性實例包括乙二醇、聚乙烯醇、羧甲基纖維素銨、矽樹酯等。
請續搭配參考『圖3』。該生物受體30設置於該檢測層40上，使該生物受體30藉由該檢測層40而間接地接觸該量測電極10以及該第一工作電極20。該生物受體30可為一與特定的目標分子結合的寡聚核酸或是肽鏈，如DNA、RNA等，或可稱為適體(aptamer)；或可與一蛋白質結合，譬如抗體(antibody)。
為使該生物受體30能夠與該檢測層40的結合性更好，該檢測層40可經改質而具有一功能性官能基。由於該生物受體30一般帶有胺基，故在該功能性官能基的選擇上，可設計使該檢測層40具有羥基以改善結合性。
該對電極50則與該第一工作電極20組成迴路以通過電流，由於該對電極50應不影響該第一工作電極20的反應，故可選擇鉑對電極、碳對電極、或其他穩定之材料作為電極，本發明對此並無特別限制。
藉由上述之電極組件，將可簡易、快速地評估其上方形成有該些生物受體30的該檢測層40的結構完整性，達到對電化學阻抗式生物晶片進行品管之效果。
具體而言，請參考『圖4』及『圖6』，當對複數個電化學阻抗式生物晶片進行量測，以獲得每一該電化學阻抗式生物晶片之該量測電極10以及該第一工作電極20之間的電性時，其中一個電化學阻抗式生物晶片在製造過程中受到物理性破壞，使上方形成有該些生物受體30的該檢測層40如『圖4』所示地產生部分損壞，露出下方的該量測電極10以及該第一工作電極20，該電化學阻抗式生物晶片會出現電阻數值大幅高於其他正常的電化學阻抗式生物晶片的情況(如『圖6』)，而可快速地被篩檢出異常。
然而，評估一電化學阻抗式生物晶片是否異常的方法並不僅限於此，亦可藉由將該些電阻數值與一預設之基準數值相比來進行判斷。
補充說明的是，本發明之電極組件並不僅限於上述態樣，『圖5』為本發明另一實施例中電化學阻抗式生物晶片之電極組件示意圖。該實施例亦包括有一第一工作電極20、一量測電極10，一參考電極60以及一對電極50，其中該第一工作電極20以及該量測電極10被一檢測層40所覆蓋，該檢測層40上形成有至少一生物受體(圖未示)，且在本實施例中，該參考電極60的材質為銀外部鍍上氯化銀，但不以此為限。
為了在製造過程中控制接枝範圍，同時也為了控制感測時的範圍，大部分的電極組件可透過以一絕緣層70覆蓋，僅露出三個區域，即，該對 電極50、該檢測層40、以及該參考電極60，使上述三個露出的區域與外部接觸反應而達到前述之效果，如『圖5』。
本發明之電極組不僅可進行如上述之品管，亦可藉由將該第一工作電極20搭配該對電極50、或者同時以該第一工作電極20及該量測電極10作為工作電極並搭配該對電極50來進行雙極式電化學阻抗頻譜(EIS)量測。
綜上，本發明利用跨接該量測電極10以及該第一工作電極20的該檢測層40的設置可達到量測該量測電極10以及該第一工作電極20之間的電性的目的，據此確認形成有該些生物受體30的該檢測層40的結構完整性，意即對該電化學阻抗式生物晶片的效果進行品管測試。因此，本發明的品管方法不僅可簡易、快速地評估檢測層的結構完整性，更能確保所有待驗的電化學阻抗式生物晶片的品質。
以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅為本發明的一較佳實施例而已，當不能限定本發明實施的範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

Claims (10)

  1. 一種用於電化學阻抗式生物晶片品管之電極組件，包括： 一量測電極； 一第一工作電極； 至少一接觸該量測電極以及該第一工作電極的生物受體； 一跨接該量測電極以及該第一工作電極並接觸該生物受體的檢測層，該檢測層係一導電材料；以及 一與該第一工作電極組成迴路之對電極； 其中，藉由量測該量測電極以及該第一工作電極之間的一電性以評估該檢測層的結構完整性。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電極組件，其中，該電極組件係用於一雙極式電化學阻抗頻譜(EIS)生物晶片。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電極組件，其中，該檢測層係為一包括奈米碳材之塗層。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電極組件，其中，該檢測層更包括一樹酯。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之電極組件，其中，該奈米碳材經改質而具有一功能性官能基，該功能性官能基係羥基。
  6. 一種對電化學阻抗式生物晶片進行品管之方法，包括： 提供複數個電化學阻抗式生物晶片，每一該電化學阻抗式生物晶片具有至少一電極組件，每一該電極組件包括： 一量測電極； 一第一工作電極； 至少一接觸該量測電極以及該第一工作電極的生物受體； 一跨接該量測電極以及該第一工作電極的檢測層並接觸該生物受體的檢測層，該檢測層係一導電材料；以及 一與該第一工作電極組成迴路之對電極；以及 量測該些電化學阻抗式生物晶片之該量測電極以及該第一工作電極之間的一電性而根據該電性評估該檢測層的結構完整性。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，該電化學阻抗式生物晶片係一雙極式電化學阻抗頻譜(EIS)生物晶片。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中，該檢測層係為一包括奈米碳材之塗層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該檢測層更包括一樹酯。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中，該奈米碳材經改質而具有一功能性官能基，該功能性官能基係羥基。
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