TWI811877B - 雙功能電光矽場效電晶體分子感測器 - Google Patents

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Abstract

本申請提供一種基於場效電晶體的生物感測系統，其包括感測器、光源、流體泵及電測量單元。感測器具有一場效電晶體晶片，該場效電晶體晶片配置有至少一個流體通道。該流體通道具有一入口和一出口，該流體泵連接到該流體通道的該入口且可驅動流體及/或一樣品通過該流體通道。該電測量單元連接到該感測器以檢測該場效電晶體晶片的電特性變化。

Description

雙功能電光矽場效電晶體分子感測器
本發明關於一種場效電晶體分子感應器，特別是指一種具有雙功能，可同時偵測分子電荷變化與光吸收改變的分子感測器。
矽奈米線場效電晶體(FET)已用於廣泛的生化檢測。目前的先進半導體製造業可以低成本大量製造Si-FET生物晶片，做為拋棄式生物感測器。生物感測器的定義為「以生物分子間選擇性反應的機制，用以偵測生物體內、外之環境下特異性交互作用後產生回應的一種裝置」。
Si-FET具有能即時觀察動態交互作用的優異能力，包括DNA雜交、蛋白質-蛋白質結合、細胞活性、細菌生長、以及如COVID-19的流行病。Si-FET的檢測憑藉在複雜的離子溶液環境中由探針和標靶之間的結合所致的探針分子電荷的變化。為了避免分子結構失去活性和結合親和力，通常會將分析物保存在高離子強度溶液中。遺憾的是，德拜長度(Debye length，與離子強度的平方根成反比)在此類溶液中較短，探針分子所散發之電場會被溶液中之高濃度離子屏蔽，稱為德拜屏蔽效應(Debye screening effect)，導致FET感測器無法偵測分子電荷，阻礙FET在臨床醫學檢測上的發展。
本申請發現FET通道中光子照射誘發的傳導載子會改變汲極-源極電流，表示FET可用作光學變換器。此能力使得FET可作為生物光學感測器，能夠檢測分子反應過程中所誘發的光線吸收或反射的變化。在此情況下，可解決FET電荷感測器受到德拜屏蔽長度的限制。
本申請提供一種基於場效電晶體的生物感測系統，其包括感測器、光源、流體泵及電測量單元。感測器具有一場效電晶體晶片，該場效電晶體晶片配置有至少一個流體通道。該流體通道具有一入口和一出口，該流體泵連接到該流體通道的該入口且可驅動流體及/或一樣品通過該流體通道。該電測量單元連接到該感測器以檢測該場效電晶體晶片的電特性變化。
一實施例中，該光源為單色光源，包括連接到該感測器的光纖及/或安裝在該感測器上的二極管。
一實施例中，該電測量單元包括訊號放大器、資料採集單元及電腦。
一實施例中，所述電特性變化包含關於暗電流及光電流資訊；光電流是光源照射下的電流與暗電流之差的絕對值。
一實施例中，所述場效電晶體晶片的表面以連接分子和探針分子修飾。
一實施例中，該樣本包括DNA、RNA、蛋白質、肽、酶、氨基酸、抗體、激素、有機及無機污染物、殺蟲劑、化學品及水中的全氟化物表面活性劑。
一種以上述基於場效電晶體的生物感測系統檢測一樣本的方法，包括下列步驟： (i) 決定一工作波長； (ii) 在該工作波長的照射下校正該感測器的響應； (iii) 監測通過該流體通道的該樣本的暗電流；和 (iv) 當該樣本通過該流體通道時，在該工作波長的照射下監測光電流。
一實施例中，該方法進一步包括步驟(v)：通過分析該暗電流和該光電流來確定該樣本和一探針分子之間的相互作用。
一實施例中，上述步驟(iii)更包括步驟(iii-1) 透過該場效電晶體晶片上的該流體通道，修飾至少一第一材料於該場效電晶體晶片表面，該第一材料包括該樣本；以及步驟(iii-2) 經由該流體通道加入至少一第二材料與該第一材料進行反應。其中監測通過該流體通道的暗電流以確認該第一材料的修飾效果，以及該第一材料與該第二材料反應的電荷變化。
一實施例中，該光電流的變化是該樣品與該探針分子之間化學反應的結果。
一實施例中，該化學反應為一呈色反應。
一實施例中，該呈色反應為酵素呈色反應。
一實施例中，該暗電流係對應於該探針分子的分子電荷的變化。
一實施例中，該光電流係對應於該探針分子的分子吸收。
一實施例中，係通過快速切換光源來檢測在該工作波長照射下的暗電流和光電流。
一實施例中，當關閉該光源的同時量測的電流為暗電流。
一實施例中，在接通該光源且照射該工作波長時的電流為光電流。
為使本申請之上述及其他方面更為清楚易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式做詳細說明。
本申請中，將場效電晶體(FET)的電荷感測以及光學感測兩種功能用於生物感測器，也就是檢測分子-電荷變化的電荷感測以及檢測分子吸收特性的光學變換。本申請實施例使用嗜中性白血球明膠酶相關脂質運載蛋白(Neutrophil gelatinase-associated lipocalin, NGAL)作為標靶分子來說明。NGAL為已知有潛力發展的生物標記，市售已有用於驗證泌尿道感染(UTI)中的NGAL檢測。已知NGAL在UTI患者的泌尿上皮和腎臟中調升(upregulated)，且復發性UTI與突發性腎衰竭有關。此類UTI的早期診斷和及時治療對於預防可能導致危及生命的疾病的慢性腎損傷非常重要。NGAL通常藉由酵素連結免疫吸附分析法(enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)技術進行檢測。本申請使用ELISA技術來呈現FET的光檢測能力。
圖1(a)繪示本申請實施例的ELISA免疫感測器示意圖，其選用ELISA三明治結構進行NGAL檢測，將捕獲抗體(Capture antibody)共價固定在FET的經修飾的氧化矽(SiO 2)表面上作為探針，以檢測嗜中性白血球明膠酶相關脂質運載蛋白(NGAL)。捕獲抗體與FET表面亦可有其他連接分子補助捕獲抗體與FET表面的連接。圖1(b)則繪示用於分子感測的FET型電荷和光子吸收感測器的示意圖，該ELISA免疫感測器固定在FET晶片上。在ELISA技術中，最後一步採用與酶結合的抗體，藉由訊號放大使無色基質催化而轉化為有色產物。顏色或訊號強度的變化與使用分光光度計檢測的標靶濃度成正比。常用的酶結合抗體包括辣根過氧化酶(HRP)、鹼性磷酸酶(ALP)和β-半乳糖苷酶。在HRP催化的比色反應類型中，HRP/3,3’,5,5’-四甲基聯苯胺(TMB)免疫分析系統通常用於大多數商用ELISA中。本申請展示FET裝置檢測此訊號放大的分子吸收的能力，使用FET作為電荷感測器，檢測捕獲抗體和NGAL之間的結合。此外，本申請使用FET作為光電探測器，觀察到作為辣根過氧化物(HRP)分析和TMB基質活性的產物的氧化四甲基聯苯胺(TMB)的即時吸收光譜，其中吸收訊號隨NGAL濃度增加而增加。亦即，本申請同時使用FET型的生物感測器來檢測分子電荷和分子吸收。
使用本申請FET晶片生物感測器/生物感測系統的方法包括下列步驟：
(i) 決定一工作波長；係透過FET光電流變化量測該呈色反應之光吸收譜變化，決定該工作波長。本實施例中，工作波長為該酵素呈色反應之特徵波長，約為650 nm。
(ii) 在該工作波長的照射下校正感測器的響應；
(iii) 透過FET晶片上的流體通道，修飾至少一A材料物於該FET表面，並藉由偵測通過該流體通道的暗電流變化以實時偵測該A材料修飾成效；
(iv) 經由流體通道加入至少一B材料與該A材料進行反應，並偵測通過該流體通道的暗電流變化以檢測該反應之電荷變化；所述A材料包含由修飾於FET表面的捕捉抗體、NGAL、Anti-NGAL antibody-biotin及Strepavidin-HRP免疫吸附所組成之複合物；該B材料包含TMB；
(v) 當該樣本通過該流體通道時，在該工作波長的照射下監測光電流；照射工作波長之光線會使A、B材料產生呈色反應(color reaction)；該酵素呈色反應為TMB與HRP反應產生之TMB氧化酶(TMB oxidase)。
(vi) 通過分析暗電流和光電流來確定該樣本和一探針分子之間的相互作用。 實施例 - 試劑和化學品
自組裝單層試劑[3-胺丙基三乙氧基矽烷(APTES)溶液]、交聯試劑[戊二醛(GA)]、乙醇胺(EA)和牛血清白蛋白(BSA)購自Sigma Aldrich公司。人類脂質運載蛋白-2/NGAL ELISA試劑盒購自R&D Systems。Dulbecco的磷酸鹽緩衝鹽水(1× PBS，137 mM NaCl，2.7 mM KCl，10 mM Na 2HPO 4，2 mM KH 2PO 4，pH 7.4)購自Invitrogen。使用去離子水(DI水)製備從1x PBS到0.01x PBS的稀釋PBS。 FET 固定化
使捕獲抗體固定在FET晶片上的步驟如下：首先使FET晶片浸泡在2%膽酸的乙醇溶液中12小時以清洗和羥化SiO 2表面，接著在氮氣流下乾燥。接著使晶片在室溫(RT)下以APTES溶液(2%的丙酮溶液)浸泡1小時以在表面形成胺基。接著以蒸餾水清洗晶片且以氮氣乾燥以除去未附著的分子，並接著在110℃下烘烤1小時。在此階段，完成APTES修飾。接著，藉由使晶片浸入12.5% 0.1× PBS溶液1小時，使得GA與胺基封端的表面反應。接著，使單株捕獲抗體(10 ng mL -1)與經GA修飾的表面的醛共價結合1小時，完成本申請的FET晶片生物感測器。
FET晶片及傳統FET生物感測器的製造方法為本領域通常知識者所習知，其結構如圖2(a)所示，此處不再贅述。本申請主要描述雙功能ELISA免疫感測器與FET的結合及其應用。 檢測步驟
在FET表面的固定化之後，使FET暴露於作為檢測參考的0.1x PBS。加入不同濃度的NGAL溶液進行測量。接著使生物素化的二級抗體(10 ng mL -1)附著到NGAL，隨後使共軛的HRP-鏈黴親和素(100 μL，以1:40的比例稀釋在1x PBS中)附著。在此步驟中，ELISA結構被固定在FET表面上。交替打開和關閉所關注波長(工作波長)的光照射。接著使TMB(100 μL)引入FET，並測量電流-時間曲線25分鐘
上述ELISA結構固定（修飾）在FET晶片上的步驟為一酵素連結免疫吸附反應，其包含：
a) 修飾一級抗體於FET表面（捕捉抗體）；
b) 免疫吸附一級蛋白於一級抗體（NGAL）；
c) 免疫吸附二級抗體（biotin）於一級蛋白；
d) 免疫吸附Strepavidin-HRP於二級抗體，然本申請並未限定抗體以及蛋白的種類。 光電流測量
從氙光源(ASB-XE-175EX)和Spectral Products公司的單色儀(CM110)產生具有可調波長和光強度的可見光線。圖2(b)繪示本申請FET型生物感測系統的配置圖和照片，此感測系統包括一作為感測器的場效電晶體晶片，該場效電晶體晶片配置有至少一個流體通道。此感測系統還包括光源、流體泵以及電測量單元。其中該流體通道具有一入口和一出口，該流體泵連接到該流體通道的該入口且可驅動流體及/或一樣品通過該流體通道。該電測量單元連接到該感測器，以在樣品通過該通道時，檢測該場效電晶體晶片的電特性變化。所述電測量單元包括訊號放大器、資料採集單元及電腦。
通過光纖電纜的可見光照射偏壓FET的感測區域。在特定的偏壓設置(源極-汲極電壓、背閘極電壓和液體閘極電壓)中，在黑暗中和在照射下測量FET裝置的汲極電流。光源的光強度使用來自Gentech EO公司的商用矽光二極體PH-100Si進行校正。故，光源可選自單光器或二極管。 實驗結果
本申請使用圖1(a)的ELISA三明治結構，此結構需要捕獲抗體來檢測NGAL。覆蓋SiO 2的FET的感測區域經APTES官能化，並與NGAL特異性的捕獲抗體共價結合。FET使得能夠檢測此結合中分子電荷的變化。最後的檢測步驟使用與HRP酶結合的抗體使無色TMB催化而轉化為有色氧化的TMB。本申請欲測定的NGAL濃度與產生的氧化的TMB的濃度成正比，且後者藉由光吸收來測量。如圖1(b)所示，特定波長的光從感測器組件的頂部完全引入FET感測區域。當光通過流體通道時，在通過溶液時發生光子吸收，並使用FET裝置測量表面分子的光電流變化。此氧化的TMB可藉由FET裝置即時監測。
如圖2(a)所示，本實施例使用的FET晶片由源電極和汲電極之間的矽線組成。n型矽FET生物感測器經設計在累積模式下運作，表示此裝置在零閘極電壓下具有小的汲極電流。對於生物感測而言，使用此模式是有利的，這是因為FET汲極電流的變化取決於捕獲分子的電荷，捕獲分子的電荷在與靶分子交互作用後變得更負或更正。圖2(b)顯示本申請實施例測量系統的配置，該系統由電測量、光源和幫浦系統組成。本申請以定制的資料收集平台電流放大器測量此裝置的汲極電流( I DS)，該資料收集平台電流放大器能夠同時測量所有通道FET。首先，本申請使矽FET的電性能特性化，以確認其作為生物感測器的功能。此裝置獲得215 mV dec -1的次臨界擺幅和約10 5的開/關電流比。此外，本申請觀察到FET從pH4到pH9的pH反應。對pH的靈敏度的值顯示為45 mV pH -1。此電性能表示在製造過程中SiO 2電介質和FET的矽閘極感測之間的穩定界面狀態。
接著在300 nm和1100 nm之間的波長範圍的光源照射下評估FET的光響應。在照射時，汲極電流會根據諸如光子波長、摻雜類型、摻雜濃度以及可能的通道設計等因素而增加或減少。圖3(a)為FET在空氣中的光響應紀錄，汲極電流在照射時會減少。當用作光電探測器時，光電流的大小大於其極性；因此，本申請定義光電流( I ph)為在照射時汲極電流變化的絕對值，也就是 。以此公式記錄的光電流譜圖3(b)顯示，本申請的FET在400 nm和1000 nm之間的寬波長範圍內顯示出良好的光響應。該光譜是在汲極電壓( V DS)為0.5 V和背閘極電壓( V BG)為0的情況下獲得的。
在ELISA技術中，檢測訊號代表由酶活性的反應引起的分子吸收。常用的酶-基質反應之一為辣根過氧化物(HRP)和3,3’,5,5’-四甲基聯苯胺(TMB)。測量光電流，其中對FET表面進行修飾使得HRP和TMB之間能夠交互作用以產生氧化的TMB。圖4為氧化TMB的光吸收光譜，使用如圖2(b)所示配置的FET測量。顯示FET在諸如空氣、磷酸鹽緩衝鹽水(PBS)、HRP和含有TMB的HRP的各種條件下的光電流譜(圖4(a))。此光譜的變化是樣品與該探針分子之間化學反應的結果。其中暗電流係對應於該探針分子的分子電荷的變化；光電流係對應於該探針分子的分子吸收。當關閉該光源的同時量測的電流為暗電流；在接通該光源且照射該工作波長時的電流為光電流。並通過快速切換光源來檢測在該工作波長照射下的暗電流和光電流。
圖4(a)中，空氣、PBS和HRP的光譜相似，這意味著在300 nm到1100 nm的寬波長範圍內不存在吸收變化。在引入TMB之後，氧化的TMB的出現使原來透明的PBS溶液逐漸變成深藍色；在氧化的TMB飽和之後，獲得光電流曲線「HRP + TMB」。FET光電流由於氧化的TMB的光吸收而減少。圖4(b)為圖4(a)中的「HRP」曲線減去「HRP+TMB」的結果。氧化的TMB在650 nm和905 nm的光波長處顯示出明顯的吸收，其峰值分別為41 pA和39 pA。另外，圖4(c)比較使用商用光密度(OD)分光光度計(JASCO V670)測量氧化的TMB的吸收光譜與FET測量氧化的TMB光吸收光譜，其顯示OD光譜在370 nm、650 nm和905 nm處具有三個可見峰。藉由比較FET響應，在370 nm處的消失峰與在400 nm下FET光響應的不靈敏度有關。
由於氧化的TMB在650 nm的波長處顯示出強吸收，因此本申請在此波長處校正FET光響應。為此，研究在λ = 650 nm處的各種光強度下的汲極電流-背柵電壓特性(( I D– V BG)。光強度的增強引起遵循冪次律的光電流。對於偏壓條件而言，此相依關係可用下式表示： (1)
其中光強度A的單位為μW cm -2。擬合方程的結果(圖4c)使得能夠定量測量由分子交互作用引起的光吸收。在350 nm和1000 nm之間的所有波長下應用上述「校正」步驟，使得能夠與OD進行比較。此比較確認FET在定量檢測氧化的TMB的分子光吸收中的能力。
本申請使用FET作為電荷感測器，用於檢測由NGAL和捕獲抗體之間的結合而引起的分子電荷的變化。使用捕獲抗體作為受體有助於測定NGAL。本實施例使用0.1到50 pg mL -1範圍內的不同濃度對作為電荷感測器的FET進行評估。在圖5(a)中顯示在黑暗條件下上述各種NGAL濃度的測量結果。正規化的變化電流定義為： (2)
其中Δ I和 I 0分別為汲極電流的變化值和初始值。在上述範圍內，汲極電流(%)隨著NGAL濃度的增加而成比例地增加。
上述結果表示，本申請FET感測器為檢測特定標靶的有潛力的工具。另外，本申請感測器的靈敏度達到0.1 pg mL -1，遠遠超過40–160 ng mL -1的人類血清中NGAL的臨床有用濃度。亦即，此FET感測器可適用於某些疾病中其他非常低範圍的生物標記，諸如用於動脈粥樣硬化發炎性疾病的胎球蛋白A(HFA)以及用於呼吸衰竭的介白素6(IL-6)。綜上，本申請用於檢測NGAL的各種免疫感測器技術，且結果顯示，所提出作為電荷感測器的FET在所有方法中皆表現出良好的生物分析性能，最高靈敏度為0.1 pg mL -1(表1)。
表1：已知的NGAL檢測技術比較
感測器 方法 檢測範圍 參考文獻
金奈米粒子 CV 50-250 ng mL -1 1
石墨烯奈米片 ELISA 0.5-5120 pg mL -1 2
碳奈米管 ELISA 0.5-5120 pg mL -1 3
石墨烯/聚苯胺 CV 50-250 ng mL -1 4
矽 FET 0.1-50 pg mL -1 本申請
接著使NGAL附著到生物素化的二級抗體，隨後使共軛的HRP-鏈黴親和素附著。本申請FET晶片的強大特性為即時測量的能力。在此設置中，FET已準備就緒進行光吸收測量。在引入TMB分子之後，在與HRP酶反應之後產生氧化的TMB產物。650 nm光源設定為1 μW cm -2的低強度，以避免對TMB和共軛的HRP-鏈黴親和素之間的交互作用產生任何不良影響。在不到25分鐘之內在系統中進行若干開/關循環的光電流測量。氧化的TMB的存在使原來透明的PBS溶液逐漸變成深藍色。圖6(a)中所示的所得光子吸收曲線顯示由於氧化的TMB的出現而導致的溶液透明度的減少。這表示FET表面上存在固定的NGAL。
為了定量評估，測試1 pg mL -1、10 pg mL -1、25 pg mL -1和50 pg mL -1的NGAL濃度。接著使用式1使光電流轉換為相應的強度。不同NGAL濃度的相應透射率曲線在圖6(a)中顯示。在2分鐘時引入TMB之前，由於PBS溶液的高透明度的緣故，因此透射率處在最大值。在引入TMB之後，由於光吸收的緣故，因此透射率響應減少。此趨勢為指數衰減函數所描述。為了進行比較，本申請展現透射率響應。在此情況下，在引入TMB之前(當PBS溶液透明時)立即測量的強度被設定為1。發現到NGAL濃度越高，強度比減少越快。然而，此關係在25分鐘時趨於穩定。強度比γ(t)的時間依存性可由下式所述： (3)
其中β是t = 25分鐘時的穩定值。TMB反應時間(α)定義為強度下降到全範圍(100 -β)的37%的時間。穩定透射率(β)隨NGAL濃度線性減少(圖6(b))，且特性時間( α))與NGAL濃度無關(在約3.8分鐘時，圖6(c))，表示TMB轉化為氧化的TMB的速率為此過程的特性行為。飽和值(β)對濃度具有近線性相依性，使得能夠定量測定NGAL濃度。 結論
FET的電學和光學功能的整合大大地擴展目前FET型分子感測器的能力。本申請的裝置在寬波長中表現出良好的光響應，其適用於在400 nm和1000 nm範圍之間的光學功能。因此，使藉由氧化的TMB檢測NGAL表現出分子吸收。當本申請的裝置用作電荷感測器時，其由於FET固有的高電荷靈敏特性的緣故而具有高檢測靈敏度。當本申請的裝置用作光感測器時，其享有無標記檢測，避開FET電荷感測器所需的嚴格表面修飾的問題。對於NGAL的定量檢測而言，當FET用作電荷感測器時，本申請達到0.1 pg mL -1的靈敏度，而當用作光感測器時，達到＜1 pg mL -1的靈敏度。另外，電光FET感測器的這些特性使其成為晶片實驗室整合的絕佳候選產品，其為各種分子檢測提供快速、簡單和高靈敏度的訊息。
此外，使用本申請裝置進行檢測的方法不受離子濃度影響。在樣品為高離子濃度的狀態下，FET電荷感測器不再適合作為生物分子檢測器，但因為光吸收不受離子濃度影響，本申請裝置的光吸收感測器還是可以正常使用。
此外，本申請的方法於同一平台上，在沒有光線時進行分子的電荷感測，有照光時進行分子光吸收的檢測，可以同時進行兩種檢測機制，且容易進行比對。
另外，本申請的分子光吸收檢測可以量測隨時間吸收量的變化（圖6(a)）。相較於習知的ELISA方法，檢測時須終止實驗，本申請的裝置具有更大的操作彈性，能提供即時的待測分子濃度定量檢測機制。
另外，因為光吸收檢測對表面探針分子修飾要求較電荷檢測低，若待測樣品為高濃度離子溶液時（電荷檢測失去效用），本申請的裝置相對電荷FET檢測器更容易進行，成本也較低。
本申請的樣品雖以NGAL蛋白為例，但通常知識者可依需求修改FET晶片感測器上的連接分子與探針分子種類，便可匹配不同的樣品，包括但不限於DNA、RNA、蛋白質、肽、酶、氨基酸、抗體、激素、有機及無機污染物、殺蟲劑、化學品及水中的全氟化物表面活性劑等，應用範圍相當廣泛。
參考文獻： 1：P. Kannan, H. Y. Tiong and D. H. Kim, Highly sensitive electrochemical determination of neutrophil gelatinase-associated lipocalin for acute kidney injury, Biosens. Bioelectron., 2012, 31, 32–36. 2：S. K. Vashist, Graphene-based immunoassay for human lipocalin-2, Anal. Biochem., 2014, 446, 96–101. 3：S. K. Vashist and J. H. T. Luong, A rapid and highly sensitive immunoassay format for human lipocalin-2 using multi-walled carbon nanotubes, Biosens. Bioelectron., 2017, 93,198–204. 4：J. Yukird, T. Wongtangprasert, R. Rangkupan, O. Chailapakul, T. Pisitkun and N. Rodthongkum, Label-free immunosensor based on graphene/polyaniline nano-composite for neutrophil gelatinase-associated lipocalin detection, Biosens. Bioelectron., 2017, 87, 249–255.
圖1(a)繪示實施例的ELISA免疫感測器示意圖；圖1(b)繪示用於分子感測的FET型電荷和光子吸收感測器的示意圖。
圖2(a)繪示典型FET感測器的示意圖；圖2(b)繪示本申請實施例之測量系統的配置示意圖。
圖3(a)為FET在空氣中的光響應紀錄；圖3(b)為圖3(a)中的光電流光譜圖。
圖4(a)顯示FET在諸如空氣、磷酸鹽緩衝鹽水(PBS)、HRP和含有TMB的HRP的各種條件下的光電流光譜；圖4(b)顯示光譜「HRP + TMB」和HRP相減後之光電流光譜；圖4(c)比較使用OD分光光度計測量氧化的TMB的吸收光譜與FET測量氧化的TMB光吸收光譜。
圖5對於各種NGAL濃度的FET汲極電流(%) (a)範圍為0.1到50 pg mL -1，以50 pg mL -1BSA作為選擇性測試的對照實驗；以及(b)汲極電流(%)，作為log NGAL濃度的函數。
圖6(a)繪示不同NGAL濃度的相應透射率曲線；圖6(b)繪示穩定透射率(β)與NGAL濃度的關係；圖6(c)繪示特性反應時間( α) 與NGAL濃度的關係。

Claims (18)

  1. 一種基於場效電晶體的生物感測系統，包括： 一感測器，包括一場效電晶體晶片，該場效電晶體晶片配置有至少一個流體通道； 一光源； 一流體泵；和 一電測量單元； 其中該流體通道具有一入口和一出口，該流體泵連接到該流體通道的該入口且可驅動流體及/或一樣品通過該流體通道； 其中該電測量單元連接到該感測器以檢測該場效電晶體晶片的電特性變化。
  2. 如請求項1所述基於場效電晶體的生物感測系統，其中該光源為單色光源，其包括連接到該感測器的光纖及/或安裝在該感測器上的二極管。
  3. 如請求項1所述基於場效電晶體的生物感測系統，其中所述電測量單元包括訊號放大器、資料採集單元及電腦。
  4. 如請求項1所述基於場效電晶體的生物感測系統，其中所述電特性包含關於暗電流及光電流資訊；該光電流是光源照射下的電流與暗電流之差的絕對值。
  5. 如請求項1所述基於場效電晶體的生物感測系統，其中所述場效電晶體晶片的表面以連接分子和探針分子修飾。
  6. 如請求項1所述基於場效電晶體的生物感測系統，其中該場效電晶體晶片的表面係以一酵素免疫連接免疫吸附反應進行修飾。
  7. 如請求項1所述基於場效電晶體的生物感測系統，其中該樣本包括DNA、RNA、蛋白質、肽、酶、氨基酸、抗體、激素、有機及/或無機污染物、殺蟲劑、化學品或水中的全氟化物表面活性劑或其組合。
  8. 一種以如請求項1所述基於場效電晶體的生物感測系統檢測一樣本的方法，包括： (i) 決定一工作波長； (ii) 在該工作波長的照射下校正該感測器的響應； (iii) 監測通過該流體通道的該樣本的暗電流；和 (iv) 當該樣本通過該流體通道時，在該工作波長的照射下監測光電流。
  9. 如請求項8所述的方法，進一步包括： (v) 通過分析該暗電流和該光電流來確定該樣本和一探針分子之間的相互作用。
  10. 如請求項8所述的方法，其中該步驟(iii)更包括下列步驟： (iii-1) 透過該場效電晶體晶片上的該流體通道，修飾至少一第一材料於該場效電晶體晶片表面，該第一材料包括該樣本； (iii-2) 經由該流體通道加入至少一第二材料與該第一材料進行反應； 其中監測通過該流體通道的暗電流以確認該第一材料的修飾效果，以及該第一材料與該第二材料反應的電荷變化。
  11. 如請求項8所述的方法，其中該光電流的變化是該樣品與該探針分子之間化學反應的結果。
  12. 如請求項11所述的方法，其中該化學反應為一呈色反應。
  13. 如請求項12所述的方法，其中該呈色反應為酵素呈色反應。
  14. 如請求項8所述的方法，其中該暗電流係對應於該探針分子的分子電荷的變化。
  15. 如請求項8所述的方法，其中該光電流係對應於該探針分子的分子吸收。
  16. 如請求項8所述的方法，其中通過快速切換光源來檢測在該工作波長照射下的暗電流和光電流。
  17. 如請求項8所述的方法，其中當關閉該光源的同時量測的電流為暗電流。
  18. 如請求項8所述的方法，其中在接通該光源且照射該工作波長時的電流為光電流。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201305551A (zh) * 2011-06-13 2013-02-01 Nippon Steel Chemical Co 感測器元件、結露感測器、濕度感測器、結露檢測方法及露點測量裝置
CN102360009B (zh) * 2011-07-22 2015-10-21 南开大学 用于生理体液多指标联合检测的半导体芯片及系统
TW201723466A (zh) * 2015-05-20 2017-07-01 寬騰矽公司 用於螢光生命期分析之光源
EP2820403B1 (en) * 2012-02-28 2020-04-08 Ramot at Tel-Aviv University Ltd. Molecular sensor based on virtual buried nanowire

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201305551A (zh) * 2011-06-13 2013-02-01 Nippon Steel Chemical Co 感測器元件、結露感測器、濕度感測器、結露檢測方法及露點測量裝置
CN102360009B (zh) * 2011-07-22 2015-10-21 南开大学 用于生理体液多指标联合检测的半导体芯片及系统
EP2820403B1 (en) * 2012-02-28 2020-04-08 Ramot at Tel-Aviv University Ltd. Molecular sensor based on virtual buried nanowire
TW201723466A (zh) * 2015-05-20 2017-07-01 寬騰矽公司 用於螢光生命期分析之光源

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