生命科學的發展和生物分子感測及分析技術的發展息息相關，舉例而言，眾所皆知許多人體疾病是肇因於體內的荷爾蒙(hormones) 或是蛋白質(proteins) 微量上的變化(數pico,10-12,莫爾甚或數百femto, 10-15,莫爾)，或是濃度上的不平衡所導致，這些基本生理的現象使得快速而正確地檢測生物分子的方法對於分析及監測人體的健康及環境的安全是不可或缺的[1]。然而，現今使用的高精準生物分子分析技術，其儀器不但昂貴、複雜，而且需要大量的人力及時間來進行檢測工作[2]；另一方面，標準的臨床生物分子量測技術：酵素連結免疫分析(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA)[3]，因為無法達到適當的敏感度(sensitivity)， 所以在量測低濃度的生物分子時，需要事先純化的步驟使待測分子濃度增加以利檢測。這些因素使得醫療及照護相關產業，無法達到其所期望的早期發現、早期預防及治療的目標， 因此，如何發展在成分複雜的檢體中以最少的準備步驟(simple)實現高選擇性(high selectivity) 、高敏感度(high sensitivity)及快速檢測的檢測方法，將是生物分子檢測技術的一大挑戰。

《圖一　 標準倒置式螢光顯微鏡架構示意圖。》

於生物體中，不同的生物分子即具有不同的功能，有的可以輸送養分、有的可以轉化能量、有的可以催化反應或是傳送生物訊號等，最重要的是，大部分掌管重要生物反應的生物分子，皆具有與其共軛分子(bio-conjugate molecules) 的特定結合特性(specific binding)，利用此一特性，即可發展出多樣化的生物分子感測技術。舉例而言，現行標準的臨床生物分子檢測技術ELISA 即是利用此一特定結合特性，先將檢體中待測的生物分子染上螢光劑，並將其共軛分子塗佈於檢驗玻片上後，把檢體放入以佈有共軛分子的檢驗試片中，利用如(圖一)的螢光顯微鏡進行觀察，並依據其螢光強度判斷此一待測分子的對應濃度。然而，如前文所述，此一方法受限於螢光顯微鏡中光感測器(photo-detector) 的靈敏度(sensitivity)，及光感測器相關介面電路(interface circuit)的訊雜比(signal-to-noise ratio)，使得此一標準之臨床技術無法對於低濃度的生物分子直接進行檢測，而需要可以進一步提高待測分子濃度的前置作業(pre-concentration)，近年來雖然因為電子技術的精進而使其可檢測最低濃度達到數十pico 莫爾濃度，但是仍然不敷所需。為了克服此一困境，研究學者們發展了數種不同的檢測方法以追求低成本、高靈敏度及快速檢測，本文將就現在各研究學者們發展的成果作一簡單的回顧介紹。

奈米顆粒技術

《圖二　 奈米金粒子與奈米銀粒子組成之聚合螢光分子檢測法[6] 。》

利用奈米顆粒技術作為生物感測方法主要有兩大方式：

(1) 利用寡聚物(Oligomer) 將奈米金粒子形成聚合體後[4]，因為奈米金粒子所具有的螢光效果並不會因為時間而遞減，因此，極為適合用來作為生物螢光分子。一系列利用類似方式之奈米金粒子，進行生物分子檢測的技術即被開發出來[5-6]，其中，Nam更利用奈米金粒子及奈米銀粒子搭配組成所謂生物條碼(Bio-Bar-Code) 技術，成功的檢測出30 atto莫爾濃度(atto: 10-18)的待測生物分子濃度[6]，如(圖二)所示，此一濃度為現行除單分子操作技術外可達到量測之最低濃度，然而，此項技術雖可以達到極高的靈敏度，但是其卻需要極長的準備時間(6小時)將寡聚物結合到奈米粒子表面，使得此項技術至今仍停留在實驗室階段。

(2) 利用量子點(Quantum dots) 所具有高量子效率、可調變發射螢光波長及穩定性等特性，量子點將可取代傳統生物螢光分子，而成為標誌待測生物分子之介質[7-8]，進一步的說明，量子點由數奈米大小之晶格排列硒化鎘(CdSe)為中心，外包一層極薄之硫化鋅(ZnS)組成，此種量子點所發射的螢光頻譜寬極小(~25nm fwhm)，且發射之螢光頻率將可因量子點的大小所造成的量子束制(quantum confinement) 的不同而不同，如此將可以運用同一激發光激發出不同波長的螢光，因此，可以運用來同時檢測數種不同的待測生物分子。利用甲矽烷活化量子點表面後即可與待測生物分子連結，而成為待測生物分子之螢光來源，再者，量子點的螢光強度並不會因為曝光而衰減，亦有助於生物分子之觀察及計量。

微懸臂樑技術

《圖三　利用微懸臂樑進行生物分子檢測示意圖[10]。》 - BigPic:799x279

利用微懸臂樑(microcantilever)因為樑表面分子鍵結的不同而彎曲的特性，整合光位置感測器或是壓阻式感測器量測結構變形量的技術，將可以用來感測微懸臂樑表面是否有分子鍵結的改變[9-11] ，此一特性亦可應用於生物分子的感測上：利用微機電製程的方式製作為懸臂樑結構，於微結構表面沉積上一層金，利用硫氫基(thiol group)與金所形成的金硫鍵將生物連接子(bio-linker)，連結至微結構之表面，此生物連接子可與特定抗體結合後，即可用來量測相對應於此一抗體之抗原。此一技術與傳統螢光量測技術最大的不同，即在於其不用螢光分子對待量測檢體進行標誌的動作，如此可以減少對檢體的處理，進一步達到迅速的量測。然而，圈囿於光感量測機制或是壓阻式量測方式的限制，使此一技術所能量測之最低濃度仍類似於傳統ELISA 的數十pico莫爾濃度，仍無法滿足當前生物醫療科技發展的需求。

機械共振技術

《圖四　利用石英震盪器進行生物分子檢測示意圖及量測結果[12]。》 - BigPic:899x324

機械微結構的共振頻率不但受到本身結構材質及形狀大小的影響，亦極容易受到周圍環境的影響，如：微結構表面的是否有細小顆粒的沾黏，或是微結構周圍的環境是否在水中等因素，其中微結構表面的顆粒沾黏將影響其共振頻率中的峰值頻率；而周圍環境將影響其共振頻譜中的特性參數(Q-value)。利用此一特性，將抗體利用金硫鍵連接至石英震盪器的表面後，當抗原結合抗體時因為其分子重量造成微結構動態響應的變化，使其共振頻率的峰值頻率移動至新的共振頻率，依據共振頻率移動的範圍即可判斷相對應的待測生物分子濃度[12-14]。此一技術亦屬於不用螢光標誌之生物分子檢測技術，利用微製程的方式將可以達到大量且迅速檢測不同檢體的目標。然而，此一技術的瓶頸在於共振頻譜的特性參數(Q-value)，此參數決定了此一生物分子量測技術的最低濃度的解析度，於溶液環境中，因為阻尼過大的原因造成一般石英震盪器特性參數的降低， 而使現今此一技術可量測之最低濃度只能達到數百pico 莫爾濃度。

表面電漿共振技術

《圖五　利用表面電漿共振技術進行生物分子檢測示意圖[16] 。》 - BigPic:700x232

表面電漿共振現象是於二十世紀初由Wood 所提出[15]，此一現象是因當激發光進入介電常數相反的兩介質（一般為金屬及介電質）的交界面上，造成此一界面(interface)旁的電荷密度(charge density) 的震盪所引起的，這一電荷密度震盪的現象在交界面上將會有極大值，而後在兩介質中呈現指數型的遞減，此即為其表面電漿波(Surface Plasmon Wave) 。此一現象十分集中於界面兩旁的材料上，因此，其特性極易受到界面旁光學性質的影響，這也就是表面電漿共振現象可以運用來量測生物分子沾附於表面的基本原理[16-19]。此一生物感測機制如(圖五)所示，利用自組式單層分子(self-assembled monolayer) 將抗體固定於感測區表面，當抗原與抗體反應結合後，與金屬薄膜產生的等效光學性質與原本沒有抗體的狀況之等效光學性質不同，從而可以判斷是否有待測之抗原附著於表面上面並進而推斷其濃度。

光波導技術

《圖六　 利用表面電漿共振技術進行生物分子檢測示意圖及量測結果圖[20]。》 - BigPic:899x343

利用微製程所製作出的光波導器(optical wave guide)，已廣泛的應用於許多光學系統上，於兩光波導器中利用適當的間距及微結構隔開後，此一微孔隙結構(microcavity structure)將有效地將特定頻率的光某一光波導器，傳播(couple)至另一光波導器中而構成光學上濾波(filter)的效果，此一光學傳播現象將受到微結構形狀的設計與光波導器表面有效折射係數等因素所影響， 應用此一特性，當微孔隙結構的表面有效折射係數因受到待測生物分子與抗體結合(binding)後的影響而改變，其所造成的變化可以經由量測此一光波導元件光學特性的改變而測得待測生物分子之種類及濃度[20-23]。

電子感測技術

《圖七　利用奈米線技術進行生物分子檢測示意圖及量測結果圖[27]。》 - BigPic:699x517

以電子性質的變化作為生物分子檢測的機制，為利用生物分子間的反應造成感測元件的表面電阻或是電場的變化，來檢知是否存在有待測之生物分子。此一檢測技術最大的好處在於不用以螢光劑來標誌待測分子(label-free)，如此將可以大幅減少待測樣品的準備步驟，更可以直接進行平行多頻道檢測(parallel detection)[24-26] 。進一步的說明，使用奈米矽線(silicon nanowire)以場效元件的想法進行前列腺抗原的檢測[27-28]，可將場效生物感測元件的靈敏度推至femto 莫爾(femto: 10-15)。然而，此一奈米矽線之製程及後續相關表面活化機制及電子檢驗儀器的複雜性，亦使得此一技術於落實於實用層面的可行性仍待進一步的研究及實驗。

結論

生物及醫療技術的發展皆與生物分子檢測技術息息相關，因此為促成跨領域的產業知識交流及整合，本篇文章主要在討論數種正在開發或已開發完成之生物分子檢測技術，而這些生物分子檢測技術皆代表整合性產品開發的契機。在台灣的電子元件製造產業及相關積體電路設計已臻成熟，而另一方面，生物科技相關產業於國內正在起飛且被政府規劃為重點發展領域之一的狀況之下，使兩者的產業鏈進一步完成地結合並開發相關產品將可以為台灣的電子業界激發出新的成長。

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