TWI776258B

TWI776258B - 生物活性組成試片結構及其檢測方法

Info

Publication number: TWI776258B
Application number: TW109136864A
Authority: TW
Inventors: 呂明霈
Original assignee: 財團法人國家實驗研究院
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2022-09-01
Also published as: TW202216984A

Abstract

本發明係有關一種生物活性組成試片結構及其檢測方法，其藉由至少一生物活性組成設置於一基板之至少一分析區域上用於擷取至少一樣本體，而該基板上設有至少一標記圖案於至少一分析區域內，使一表面成像裝置掃描該至少一分析區域分次取得複數個分析影像後，藉由該至少一標記圖案定位以可重疊該些個掃描影像，以進行該至少一生物活性組成的效能分析。藉此簡化表面成像裝置底下的生醫檢測，而避免試片結構占用表面成像裝置。

Description

生物活性組成試片結構及其檢測方法

本發明係有關一種試片結構及其檢測方法，尤其是一種生物活性組成試片結構及其檢測方法。

一般而言，蛋白質固定在晶片上其效能之表現，有幾個主要因素，包括穩定度、均勻度及方位度(Orientation)。其中穩定度及均勻度等因素，已可利用自組裝單層膜(Self-Assembled Monolayer,SAM)技術，以共價鍵結方式來固定單層蛋白質在晶片表面上，進而獲得解決。惟其對於上述之方位度因素，至今仍無資料可查及遵循。如果固定在晶片上之蛋白質其活性鍵結區(Active Binding Site)都埋沒在下方，則雖然可利用上述SAM技術來獲得其穩定度與均勻度，惟此朝下方之方位則必然無法與來自其上方之抗原(或配位體)有效地相結合，因此晶片上蛋白質之整體作用效率會很低。故，一般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

遂發展出，以表面成像裝置量測之定量差異來篩選相關之藥物，同時藉由外加電場以改變蛋白質固定在晶片上之均一性方向，進而改變蛋白質晶片之使用效率。不僅可以多次量測且只要蛋白質之活性不消失，其實驗係可在同晶片上重複使用；若搭配微陣列技術，將多種藥物加在不同之區域，即可在同一晶片上，獲得量測多種藥物之效果，不僅快速且成本低，係一項具有潛力之蛋白質晶片分析及應用技術，可製造出更有效率之蛋白質晶片，並於降低成本同時亦能提升其品質。

然而，上述發展出之表面成像裝置檢測技術，使得晶片需長時間社結合表面成像裝置，在檢測過程中，實驗人員不能剝離或移動檢測用之生物晶片進行生物培養，或者清洗生物晶片，因此表面成像裝置的掃描結果較不精確，亦即欲分析的目標樣本未有效附著，或者是檢測晶片剝離後，需要消耗額外時間重新定位，無法直接接續執行各項生物培養步驟與表面成像裝置的掃描步驟，且生物分析目標定位甚為困難。此外，現今對於生物晶片檢測的改良在於規劃生物晶片上的流道，或者設置更多微型流道，卻未進一步提供可批次處裡的改良方式，以大幅提升生物檢測效率

基於上述之問題，本發明提供一種生物活性組成試片結構及其檢測方法，其藉由該試片結構之一基板上以非破壞性方式設置至少一標記圖案於至少一分析區域，因而讓表面成像裝置針對該至少一分析區域完成分析成像後，即可直接依據該至少一標記圖案定位並可疊合表面成像裝置之複數個分析影像，以針對生物晶片上的生物活性組成進行分析，此外，本發明之試片結構為獨立結構，藉此提升生物檢測效率。

本發明之主要目的，提供一種生物活性組成試片結構及其檢測方法，其藉由基板上的標記圖案，使多次表面成像裝置的特性分析影像可準確定位以及疊合，以利於生物活性組成之生物培養分析，且可讓試片結構獨立於表面成像裝置之外，用於生物培養與清洗，藉此提升生物檢測效率。

本發明揭示了一種生物活性組成試片結構之檢測方法，其應用於一表面成像裝置檢測一試片結構上所承載之至少一樣本體，該試片結構具有至少一分析區域，該試片結構上設有至少一標記圖案，該檢測方法先利用該至少一分析區域上之至少一連結分子固定至少一生物活性組成於該分析區域上，然後再利用該表面成像裝置對該至少一生物活性組成執進行分析成像，以取得一生物特性影像，爾後利用該試片結構浸入具有複數個樣本體之一樣本溶液中，使該至少一生物活性組成擷取該至少一樣本體，之後利用一清潔裝置清洗該至少一分析區域，以將未經該至少一生物活性組成擷取之樣本體剝離；接續，利用該表面成像裝置對該至少一生物活性組成與該樣本體進行分析成像，以取得一表面特性分析影像，並依據該至少一標記圖案定位並至少疊合該生物分析影像與該特性分析影像，以取得該至少一分析區域之一疊合影像，並提供該分析區域之至少一特定位置上之生物資訊，藉此分析該至少一生物活性組成抓取該至少一樣本體的情況。由上可知，本發明可透過試片結構上的分析區域上設置至少一標記圖案，以定位並標註該至少一生物活性組成抓取該至少一樣本體的情況，且避免生物培養或清洗時破壞表面成像裝置的探針。

本發明提供一實施例，其中該至少一樣本體為至少一細胞、至少一細菌、至少一病毒、至少一去氧核醣核酸(DNA)、至少一核糖核酸(RNA)或至少一蛋白質。

本發明提供一實施例，其中於利用該分析區域上之至少一連結分子固定至少一生物活性組成於該分析區域上之步驟前，利用該表面成像裝置對該分析區域內之一表面進行掃描，以取得一空白分析影像，接續並進一步利用該清潔裝置清洗該分析區域。

本發明提供一實施例，其中於再利用該表面成像裝置對該至少一生物活性組成執進行掃描之步驟前，進一步利用該清潔裝置清洗該分析區域。

本發明提供一實施例，其中該至少一生物活性組成為球蛋白或抗體，該至少一生物活性組成於共價基前之官能基為選自於羥基、烷基、胺基、羧酸、酯基、硫酯基、醛基、環氧基、乙氧基、乙烷基、環氧乙烷基、肼基或硫醇基，該至少一生物活性組成於非共價基前之官能基為選自於生物素、抗生物素蛋白、抗生蛋白鏈菌素、蛋白質、DNA、RNA、配位體或受體。

本發明提供一實施例，其中於固定至少一生物活性組成於該分析區域上之步驟中，進一步利用羥基、烷基、胺基、羧酸、酯基、硫酯基、醛基、環氧基、乙氧基、乙烷基、環氧乙烷基、肼基或硫醇基之官能基的化合物連結並固定該至少一生物活性組成在該基板上。

本發明提供一實施例，其中該表面成像裝置進一步操作在77K至400K溫度。

本發明另揭示了一種生物活性組成試片結構，其包含一基板、至少一標記圖案與複數個連結分子，該基板具有至少一分析區域，該至少一標記圖案非破壞性設置於該分析區域上，而該些個連結分子設置於該至少一分析區域內且部分該些個連結分子設置於該標記圖案上。藉由上述試片結構提供生物活性組成的設置環境，且可供表面成像裝置分析成複數個分析影像，而藉由標記圖案定位並標記該些個連結分子所連接之生物活性組成，可同時藉由標記圖案方便於疊合分析區域之掃描影像。

本發明提供另一實施例，其中該基板於該至少一標記圖案之設置區域選自於一第一表面材料，該基板於其餘區域選自於一第二表面材料，該第一表面材料與該第二表面材料選自於金屬、塑膠、玻璃、矽晶圓、半導體、介電層材料、有機材料、羥基化聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或其組合，且該第一表面材料與該第二表面材料為同材料或不同材料。

本發明提供另一實施例，其中該些個連結分子之官能基為羥基、烷基、胺基、羧酸、酯基、硫酯基、醛基、環氧基、乙氧基、乙烷基、環氧乙烷基、肼基或硫醇基。

為使　貴審查委本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以實施例及配合說明，說明如後：

有鑑於現有原子力顯微鏡生物檢測機制造成無法確實提供較佳品質之檢測品質問題，據此，本發明遂提出一種生物活性組成試片結構及其檢測方法，以解決現有技術所造成之無法確實提供較佳檢測品質的問題。

以下，將進一步說明本發明揭示一種生物活性組成試片結構及其檢測方法所包含之特性、所搭配之結構：

首先，請參閱第一圖，其為本發明之一實施例之流程圖。如圖所示，本發明之生物活性組成試片結構之檢測方法，其步驟包含:

步驟S10: 提供一試片結構；

步驟S15:清洗該試片結構；

步驟S20: 利用該表面成像裝置對該分析區域內之一空白表面進行掃描，以取得一空白分析影像；

步驟S30: 利用該分析區域之至少一連結分子固定至少一生物活性組成於該分析區域上；

步驟S35: 清洗該試片結構；

步驟S40: 利用該表面成像裝置對該至少一生物活性組成執行一第二次掃描，以取得一生物分析影像；

步驟S50: 利用該試片結構浸入具有複數個樣本體之一樣本溶液中，使該至少一生物活性組成擷取該至少一樣本體；

步驟S55:清洗該試片結構；

步驟S60: 利用該表面成像裝置對該至少一生物活性組成與該樣本體進行掃描，以取得一特性分析影像；以及

步驟S70: 依據該標記圖案定位並至少疊合該生物分析影像與該特性分析影像，以取得該分析區域之一疊合影像，並提供該分析區域之至少一特定位置上之生物資訊。

請參閱第二A圖至第二G圖，其為本發明之一實施例之提供試片結構之示意圖、清洗空白試片之示意圖、連結生物活性組成之示意圖、清洗生物組成之示意圖、浸入樣本溶液之示意圖、清洗樣本之示意圖以及疊合影像之示意圖。如圖所示，本發明之生物活性組成試片結構1，其包含一基板10、至少一標記圖案20與複數個連結分子C，基板10內具有一分析區域12，標記圖案20設置於分析區域12內，本實施例係以單一標記圖案20做為舉例。

於步驟S10中，如第二A圖所示，提供一試片結構1之基板10上經設有該標記圖案20，且基板10上具有該分析區域12，因此該標記圖案20亦設置於該分析區域12內，且與該基板10一併成形，該基板10與該標記圖案20之材料為選自於金屬材料、塑膠、玻璃、矽晶圓、半導體材料、絕緣材料、有機材料、羥基化聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或其組合上述之組合，特別是該基板10與該標記圖案20為相同或不同材料成形，且該標記圖案20為非破壞性方式設置於該基板10，即化學氣相沉積或蒸鍍方式堆積於該基板10上。接續於步驟S15中，如第二B圖所示，條件較為嚴苛的檢測，進一步在一開始，該基板10未承載任何物質的情況下，利用一清潔裝置CL清洗該基板10，例如:藉由噴頭N噴灑流體F清洗基板10，避免一開始該基板10尚有其他物質沾黏而佔位在該分析區域12內，其中該流體F為水、生理緩衝溶液、酒精、有機溶液、鹽酸、硝酸、硫酸或活性界面劑。本實施例之步驟S15在較接近大氣環境條件下的檢測，可省略。

接續於步驟S20中，如第二C圖所示，表面成像裝置40之一懸臂CA連接一探針P掃描該分析區域12，且一雷射源L產生一投射光束R1於該懸臂CA之一端，以反射一反射光束R2至一光感測器M，藉此經由該探針P以接觸方式或非接觸方式對該分析區域12進行分析成像，本實施例為原子力顯微鏡，因而讓該探針P隨著該基板10之一上表面102於該分析區域12的起伏變化，因而造成該反射光束R2產生振福、頻率或波長的變化，以讓該光感測器M對應產生一第一感測訊號SL1至一處理單元30，因而讓該處理單元30對應產生一空白分析影像IMG1。以上所述之清洗與空白掃描為本發明之試片結構1大量生產出廠後之驗證。以下為本發明之一般實驗過程中必須流程。

於步驟S30中，如第二D圖所示，本實施例以一第一生物活性組成Y1與一第二生物活性組成Y2舉例，透過一第一連結分子C1與一第二連結分子C2設置於該基板10上，由於該標記圖案20與基板10之材料為相同或不同，因此該第一連結分子C1與該第二連結分子C2可有所不同，本實施例之該第一生物活性組成Y1與該第二生物活性組成Y2為同一組成，例如:抗體、抗原、DNA探針、RNA探針、酵素、蛋白質或球蛋白，其藉由共價鍵鍵結該第一連結分子C1與該第二連結分子C2，該第一生物活性組成Y1與該第二生物活性組成Y2於共價鍵之官能基為羥基、烷基、胺基、羧酸、酯基、硫酯基、醛基、環氧基、乙氧基、乙烷基、環氧乙烷基、肼基或硫醇基，因此該第一連結分子C1與該第二連結分子C2為具有羥基、烷基、胺基、羧酸、酯基、硫酯基、醛基、環氧基、乙氧基、乙烷基、環氧乙烷基、肼基或硫醇基之官能基的化合物。於步驟S35中，如第二E圖所示，藉由該清潔裝置CL之該噴頭N噴出該流體F於該基板10上，因此在未被連結分子C1、C2所連結之其他物質，無論是蛋白質或者是其他物質粒子，皆會被該流體F沖刷而被清除。本實施例之步驟S35在較接近大氣環境條件下的檢測，可省略。

於步驟S40中，如第二F圖所示，該表面成像裝置40對承載該第一生物活性組成Y1與該第二生物活性組成Y2之分析區域12進行分析成像，本實施例為該表面成像裝置40之該懸臂CA懸吊著該探針P掃描該分析區域12上的該第一生物活性組成Y1與該第二生物活性組成Y2，因而讓該雷射源L所產生之該投射光束R1反射並生成該反射光束R2，使該光感測器M依據該反射光束R2，產生對應之第二感測訊號SL2，並傳送至該處理單元30，以對應產生一生物分析影像IMG2。

於步驟S50中，如第二G圖所示，該基板10為浸入一樣本溶液LQ中，該溶液LQ中，使本實施例之該第一生物活性組成Y1與該第二生物活性組成Y2鍵結該樣本溶液LQ中的樣本體SP，也就是該第一生物活性組成Y1與該第二生物活性組成Y2之非共價鍵之官能基鍵結該些個樣本體SP，其中該官能基為選自於生物素、抗生物素蛋白、抗生蛋白鏈菌素、蛋白質、去氧核醣核酸(DNA)、核醣核酸(RNA)、配位體或受體，因此該些樣本體SP即為細胞、細菌、DNA分子、RNA分子、病毒或蛋白質。於步驟S55中，如第二H圖所示，藉由該清潔裝置CL之該噴頭N噴出該流體F於該基板10上，因此在未被該第一生物活性組成Y1與該第二生物活性組成Y2所抓取之其他物質，無論是蛋白質或者是其他物質粒子，皆會被該流體F沖刷而被清除。

於步驟S60中，如第二I圖所示，該表面成像裝置40對該第一生物活性組成Y1與該第二生物活性組成Y2以及該第一生物活性組成Y1與該第二生物活性組成Y2所抓取之該些樣本體SP進行分析成像，本實施例之該表面成像裝置40之該懸臂CA懸吊著該探針P掃描該第一生物活性組成Y1與該第二生物活性組成Y2以及該第一生物活性組成Y1與該第二生物活性組成Y2所抓取之該些樣本體SP，因而讓該雷射源L所產生之該投射光束R1反射並生成該反射光束R2，使該光感測器M依據該反射光束R2，產生對應之第三感測訊號SL3，並傳送至該處理單元30，以對應產生一特性分析影像IMG3。於步驟S70中，該處理單元30將該空白分析影像IMG1至該特性分析影像IMG3進行疊合，且依據該標記圖案20對該空白分析影像IMG1至該特性分析影像IMG3進行定位，以讓該空白分析影像IMG1、該生物分析影像IMG2與該特性分析影像IMG3於該分析區域12之相同位置進行疊合，因而獲得該空白分析影像IMG1、該生物分析影像IMG2與該特性分析影像IMG3對應之一疊合影像IMGO，以精確分析該基板10於同一位置上之生物活性組成的培養狀態。以上實施例係以單一分析區域12作為舉例，但並非本發明侷限此，本發明更可將分析區域12以陣列方式呈現並以座標系統進行定位，以應用於不同生物研究，例如:個別不同生物活性組成對應設置於不同分析區域，以分析樣本體的所有特性。

以上所述之清洗步驟，為舉例說明，本發明之清洗步驟的清潔裝置CL不僅可用該噴頭N噴出該流體F的方式清洗，亦可利用浸入清洗液體(例如: 水、生理緩衝溶液、酒精、有機溶液、鹽酸、硝酸、硫酸或活性界面劑)的方式進行清洗，以避免非分析物質殘留於該分析區域12。另外，本發明之試片結構1由於未搭配表面成像裝置40的結構，因而可單獨分離進行清洗步驟與生物培養，因而避免表面成像裝置40的該探針P受影響或損壞，藉此提升生物檢測效率。以上所述之標記圖案20並非侷限於分析區域12，更可設置於分析區域外12。以上所述之表面成像裝置40以掃描探針顯微鏡中的原子力顯微鏡作為舉例說明，除此之外，更可為光學顯微鏡、電子顯微鏡、掃描式顯微鏡、近場光學顯微鏡、靜電力顯微鏡或穿隧式顯微鏡(STM)。以上所述之表面成像裝置40進一步操作在77K至400K溫度。

綜上所述，本發明之生物活性組成試片結構及其檢測方法，其提供表面成像裝置不需搭建流道結合基板，因而可對基板進行生物培養，以及清洗，且避免生物培養或清洗時破壞表面成像裝置的探針，藉此提升生物檢測效率。

故本發明實為一具有新穎性、進步性及可供產業上利用者，應符合我國專利法專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1試片結構 10基板 12分析區域 20標記圖案 30處理單元 40表面成像裝置 C連結分子 C1第一連結分子 C2第二連結分子 CA懸臂 CL清潔裝置 F流體 IMG1空白分析影像 IMG2生物分析影像 IMG3特性分析影像 IMGO疊合影像 L雷射源 LQ溶液 M光感測器 P探針 SL1第一感測訊號 SL2第二感測訊號 SL3第三感測訊號 SP樣本體 Y1第一生物活性組成 Y2第二生物活性組成 S10-S70步驟

第一圖：其為本發明之一實施例之流程圖；第二A圖：其為本發明之一實施例之提供試片結構之示意圖；第二B圖：其為本發明之一實施例之清洗空白試片之示意圖；第二C圖：其為本發明之一實施例之空白分析影像之示意圖；第二D圖：其為本發明之一實施例之連結生物活性組成之示意圖；第二E圖：其為本發明之一實施例之清洗生物組成之示意圖；第二F圖：其為本發明之一實施例之生物分析影像之示意圖；第二G圖：其為本發明之一實施例之浸入樣本溶液之示意圖；第二H圖：其為本發明之一實施例之清洗樣本之示意圖；第二I圖：其為本發明之一實施例之特性分析影像之示意圖；以及第二J圖：其為本發明之一實施例之疊合影像之示意圖。

步驟S10-S70

Claims

一種生物活性組成試片結構之檢測方法，其應用於一表面成像裝置檢測一試片結構上所承載之至少一樣本體，該試片結構具有至少一分析區域，該試片結構上設有至少一標記圖案，該檢測方法步驟包含：空白分析影像利用該分析區域之至少一連結分子固定至少一生物活性組成於該分析區域上；利用該表面成像裝置對該至少一生物活性組成進行分析成像，以取得一生物分析影像；利用該試片結構浸入或接觸具有複數個樣本體之至少一樣本溶液中，使該至少一生物活性組成擷取該至少一樣本體；利用一清潔裝置清洗一基板；利用該表面成像裝置對該至少一生物活性組成與該樣本體進行分析成像，以取得一特性分析影像；以及依據該標記圖案以定位該生物分析影像與該生物特性分析影像特性分析影像之該分析區域，以取得該分析區域之一疊合影像，並提供該分析區域之至少一特定位置上之生物資訊。
如請求項1所述的生物活性組成試片結構之檢測方法，其中該至少一樣本體為至少一細胞、至少一細菌、至少一酵素、至少一去氧核醣核酸(DNA)、至少一核醣核酸(RNA)、至少一病毒或至少一蛋白質。
如請求項1所述的生物活性組成試片結構之檢測方法，其中於利用該分析區域之至少一連結分子固定至少一生物活性組成於該分析區域上之步驟前，更包含：利用該表面成像裝置對該至少一分析區域內之一空白表面進行分析成像；以及利用該清潔裝置清洗該至少一分析區域。
如請求項1所述的生物活性組成試片結構之檢測方法，其中於利用該表面成像裝置對該至少一生物活性組成進行掃描之步驟前，進一步利用該清潔裝置清洗該至少一分析區域。
如請求項1所述的生物活性組成試片結構之檢測方法，其中該至少一生物活性組成為抗體、抗原、去氧核醣核酸(DNA)探針、核醣核酸(RNA)探針、酵素、蛋白質或球蛋白，該至少一生物活性組成於共價基前之官能基為為選自於羥基、烷基、胺基、羧酸、酯基、硫酯基、醛基、環氧基、乙氧基、乙烷基、環氧乙烷基、肼基或硫醇基，該至少一生物活性組成於非共價基前之官能基為選自於生物素、抗生物素蛋白、抗生蛋白鏈菌素、蛋白質、去氧核醣核酸(DNA)、核醣核酸(RNA)、配位體或受體。
如請求項1所述的生物活性組成試片結構之檢測方法，其中於固定至少一生物活性組成於該分析區域上之步驟中，進一步利用羥基、烷基、胺基、羧酸、酯基、硫酯基、醛基、環氧基、乙氧基、乙烷基、環氧乙烷基、肼基或硫醇基之官能基的化合物連結並固定該至少一生物活性組成在該基板上。
如請求項1所述的生物活性組成試片結構之檢測方法，其中該表面成像裝置進一步操作在77K至400K溫度。
一種生物活性組成試片結構，其包含：一基板，其具有至少一分析區域；至少一標記圖案，其非破壞性設置於該基板上，該至少一標記位於該分析區域內或外；以及複數個連結分子，設置於該分析區域內且部分該些個連結分子設置於該標記圖案上；其中，該些個連結分子分別具有一官能基。
如請求項8所述的生物活性組成試片結構，其中該基板於該至少一標記圖案之設置區域選自於一第一表面材料，該基板於其餘區域選自於一第二表面材料，該第一表面材料與該第二表面材料選自於金屬材料、塑膠、玻璃、矽晶圓、半導體材料、絕緣材料、有機材料、羥基化聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)或其組合，且該第一表面材料與第二表面材料為同材料或不同材料。
如請求項8所述的生物活性組成試片結構，其中該官能基為羥基、烷基、胺基、羧酸、酯基、硫酯基、醛基、環氧基、乙氧基、乙烷基、環氧乙烷基、肼基或硫醇基。