生命科学的发展和生物分子感测及分析技术的发展息息相关，举例而言，众所皆知许多人体疾病是肇因于体内的荷尔蒙(hormones) 或是蛋白质(proteins) 微量上的变化(数pico,10-12,穆尔甚或数百femto, 10-15,穆尔)，或是浓度上的不平衡所导致，这些基本生理的现象使得快速而正确地检测生物分子的方法对于分析及监测人体的健康及环境的安全是不可或缺的[1]。然而，现今使用的高精准生物分子分析技术，其仪器不但昂贵、复杂，而且需要大量的人力及时间来进行检测工作[2]；另一方面，标准的临床生物分子量测技术：酵素链接免疫分析(Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA)[3]，因为无法达到适当的敏感度(sensitivity)， 所以在量测低浓度的生物分子时，需要事先纯化的步骤使待测分子浓度增加以利检测。这些因素使得医疗及照护相关产业，无法达到其所期望的早期发现、早期预防及治疗的目标， 因此，如何发展在成分复杂的检体中以最少的准备步骤(simple)实现高选择性(high selectivity) 、高敏感度(high sensitivity)及快速检测的检测方法，将是生物分子检测技术的一大挑战。

《图一 标准倒置式荧光显微镜架构示意图。》

于生物体中，不同的生物分子即具有不同的功能，有的可以输送养分、有的可以转化能量、有的可以催化反应或是传送生物讯号等，最重要的是，大部分掌管重要生物反应的生物分子，皆具有与其共轭分子(bio-conjugate molecules) 的特定结合特性(specific binding)，利用此一特性，即可发展出多样化的生物分子感测技术。举例而言，现行标准的临床生物分子检测技术ELISA 即是利用此一特定结合特性，先将检体中待测的生物分子染上荧光剂，并将其共轭分子涂布于检验玻片上后，把检体放入以布有共轭分子的检验试片中，利用如(图一)的荧光显微镜进行观察，并依据其荧光强度判断此一待测分子的对应浓度。然而，如前文所述，此一方法受限于荧光显微镜中光传感器(photo-detector) 的灵敏度(sensitivity)，及光传感器相关接口电路(interface circuit)的讯杂比(signal-to-noise ratio)，使得此一标准之临床技术无法对于低浓度的生物分子直接进行检测，而需要可以进一步提高待测分子浓度的前置作业(pre-concentration)，近年来虽然因为电子技术的精进而使其可检测最低浓度达到数十pico 穆尔浓度，但是仍然不敷所需。为了克服此一困境，研究学者们发展了数种不同的检测方法以追求低成本、高灵敏度及快速检测，本文将就现在各研究学者们发展的成果作一简单的回顾介绍。

奈米颗粒技术

《图二 奈米金粒子与奈米银粒子组成之聚合荧光分子检测法[6] 。》

利用奈米颗粒技术作为生物感测方法主要有两大方式：

(1) 利用寡聚物(Oligomer) 将奈米金粒子形成聚合体后[4]，因为奈米金粒子所具有的荧光效果并不会因为时间而递减，因此，极为适合用来作为生物荧光分子。一系列利用类似方式之奈米金粒子，进行生物分子检测的技术即被开发出来[5-6]，其中，Nam更利用奈米金粒子及奈米银粒子搭配组成所谓生物条形码(Bio-Bar-Code) 技术，成功的检测出30 atto穆尔浓度(atto: 10-18)的待测生物分子浓度[6]，如(图二)所示，此一浓度为现行除单分子操作技术外可达到量测之最低浓度，然而，此项技术虽可以达到极高的灵敏度，但是其却需要极长的准备时间(6小时)将寡聚物结合到奈米粒子表面，使得此项技术至今仍停留在实验室阶段。

(2) 利用量子点(Quantum dots) 所具有高量子效率、可调变发射荧光波长及稳定性等特性，量子点将可取代传统生物荧光分子，而成为标志待测生物分子之介质[7-8]，进一步的说明，量子点由数奈米大小之晶格排列硒化镉(CdSe)为中心，外包一层极薄之硫化锌(ZnS)组成，此种量子点所发射的荧光频谱宽极小(~25nm fwhm)，且发射之荧光频率将可因量子点的大小所造成的量子束制(quantum confinement) 的不同而不同，如此将可以运用同一激发光激发出不同波长的荧光，因此，可以运用来同时检测数种不同的待测生物分子。利用甲硅烷活化量子点表面后即可与待测生物分子链接，而成为待测生物分子之荧光来源，再者，量子点的荧光强度并不会因为曝光而衰减，亦有助于生物分子之观察及计量。

微悬臂梁技术

《图三 利用微悬臂梁进行生物分子检测示意图[10]。》 - BigPic:799x279

利用微悬臂梁(microcantilever)因为梁表面分子键结的不同而弯曲的特性，整合光位置传感器或是压阻式传感器量测结构变形量的技术，将可以用来感测微悬臂梁表面是否有分子键结的改变[9-11] ，此一特性亦可应用于生物分子的感测上：利用微机电制程的方式制作为悬臂梁结构，于微结构表面沉积上一层金，利用硫氢基(thiol group)与金所形成的金硫键将生物连接符(bio-linker)，链接至微结构之表面，此生物连接符可与特定抗体结合后，即可用来量测相对应于此一抗体之抗原。此一技术与传统荧光量测技术最大的不同，即在于其不用荧光分子对待量测检体进行标志的动作，如此可以减少对检体的处理，进一步达到迅速的量测。然而，圈囿于光感量测机制或是压阻式量测方式的限制，使此一技术所能量测之最低浓度仍类似于传统ELISA 的数十pico穆尔浓度，仍无法满足当前生物医疗科技发展的需求。

机械共振技术

《图四 利用石英震荡器进行生物分子检测示意图及量测结果[12]。》 - BigPic:899x324

机械微结构的共振频率不但受到本身结构材质及形状大小的影响，亦极容易受到周围环境的影响，如：微结构表面的是否有细小颗粒的沾黏，或是微结构周围的环境是否在水中等因素，其中微结构表面的颗粒沾黏将影响其共振频率中的峰值频率；而周围环境将影响其共振频谱中的特性参数(Q-value)。利用此一特性，将抗体利用金硫键连接至石英震荡器的表面后，当抗原结合抗体时因为其分子重量造成微结构动态响应的变化，使其共振频率的峰值频率移动至新的共振频率，依据共振频率移动的范围即可判断相对应的待测生物分子浓度[12-14]。此一技术亦属于不用荧光标志之生物分子检测技术，利用微制程的方式将可以达到大量且迅速检测不同检体的目标。然而，此一技术的瓶颈在于共振频谱的特性参数(Q-value)，此参数决定了此一生物分子量测技术的最低浓度的分辨率，于溶液环境中，因为阻尼过大的原因造成一般石英震荡器特性参数的降低， 而使现今此一技术可量测之最低浓度只能达到数百pico 穆尔浓度。

表面电浆共振技术

《图五 利用表面电浆共振技术进行生物分子检测示意图[16] 。》 - BigPic:700x232

表面电浆共振现象是于二十世纪初由Wood 所提出[15]，此一现象是因当激发光进入介电常数相反的两介质（一般为金属及介电质）的交界面上，造成此一界面(interface)旁的电荷密度(charge density) 的震荡所引起的，这一电荷密度震荡的现象在交界面上将会有极大值，而后在两介质中呈现指数型的递减，此即为其表面电浆波(Surface Plasmon Wave) 。此一现象十分集中于界面两旁的材料上，因此，其特性极易受到界面旁光学性质的影响，这也就是表面电浆共振现象可以运用来量测生物分子沾附于表面的基本原理[16-19]。此一生物感测机制如(图五)所示，利用自组式单层分子(self-assembled monolayer) 将抗体固定于感测区表面，当抗原与抗体反应结合后，与金属薄膜产生的等效光学性质与原本没有抗体的状况之等效光学性质不同，从而可以判断是否有待测之抗原附着于表面上面并进而推断其浓度。

光波导技术

《图六 利用表面电浆共振技术进行生物分子检测示意图及量测结果图[20]。》 - BigPic:899x343

利用微制程所制作出的光波导器(optical wave guide)，已广泛的应用于许多光学系统上，于两光波导器中利用适当的间距及微结构隔开后，此一微孔隙结构(microcavity structure)将有效地将特定频率的光某一光波导器，传播(couple)至另一光波导器中而构成光学上滤波(filter)的效果，此一光学传播现象将受到微结构形状的设计与光波导器表面有效折射系数等因素所影响， 应用此一特性，当微孔隙结构的表面有效折射系数因受到待测生物分子与抗体结合(binding)后的影响而改变，其所造成的变化可以经由量测此一光波导组件光学特性的改变而测得待测生物分子之种类及浓度[20-23]。

电子感测技术

《图七 利用奈米线技术进行生物分子检测示意图及量测结果图[27]。》 - BigPic:699x517

以电子性质的变化作为生物分子检测的机制，为利用生物分子间的反应造成感测组件的表面电阻或是电场的变化，来检知是否存在有待测之生物分子。此一检测技术最大的好处在于不用以荧光剂来标志待测分子(label-free)，如此将可以大幅减少待测样品的准备步骤，更可以直接进行平行多频道检测(parallel detection)[24-26] 。进一步的说明，使用奈米硅线(silicon nanowire)以场效组件的想法进行前列腺抗原的检测[27-28]，可将场效生物感测组件的灵敏度推至femto 穆尔(femto: 10-15)。然而，此一奈米硅线之制程及后续相关表面活化机制及电子检验仪器的复杂性，亦使得此一技术于落实于实用层面的可行性仍待进一步的研究及实验。

结论

进一步的说明，使用奈米硅线(silicon nanowire)以场效组件的想法进行前列腺抗原的检测[27-28]，可将场效生物感测组件的灵敏度推至femto 穆尔(femto: 10-15)。然而，此一奈米硅线之制程及后续相关表面活化机制及电子检验仪器的复杂性，亦使得此一技术于落实于实用层面的可行性仍待进一步的研究及实验。在台湾的电子组件制造产业及相关集成电路设计已臻成熟，而另一方面，生物科技相关产业于国内正在起飞且被政府规划为重点发展领域之一的状况之下，使两者的产业链进一步完成地结合并开发相关产品将可以为台湾的电子业界激发出新的成长。

参考文献

[1] Guzman, N.A., et al., J. of Chromatography B, 697, 37-66, 1997.

[2] Guzman, N. A. and Stubbs R. J., Electrophoresis, 22, 3602-3628, 2001.

[3] Engvalle, E. and Perlmann, P., Immunochemistry, 8, 871-874, 1971.

[4] Mirkin, C. A., et al., Nature, 382, 607-609, 1996.

[5] Taton, T. A., Mirkin, C. A., and Letsinger, R. L., Science, 289, 1757-1760, 2000.

[6] Nam, J.-M., Thaxton, C. S., and Mirkin, C. A., Science, 301, 1884-1886, 2003.

[7] Shingyoji, M., Gerion, D., Pinkel, D., Gray, J.W., and Chen, F., Talanta, 67, 472-478, 2005.

[8] Levy, M., Cater, S.F., and Ellington, A.D., ChemBioChem, 6,2163-2166, 2005.

[9] Fritz, J., Baller, M.K., Lang, H.P., Rothuizen, H., Vettiger, P., Meyer, E., Guntherodt, H.J., Gerber, Ch.,

and Gimzewski, K., Science, 288, 316, 2000

[10] Wu G.., Datar, R.H., Hansen, K.M., Thundat, T., Cote, R.J., and Majumdar, A., Nat. Biotechnol., 19,

856-860, 2001.

[11] Arntz, Y., Seelig, J.D., Lang, H.P., Zhang, J., Hunziker, P., Ramseyer, J.P., Meyer, E., Hegner, M., and Gerber, Ch., Nanotechnology, 14, 86, 2003

[12] Su, X.-L. and Li, Y., Biosensor Bioelectronics, 21, 840-848, 2005.

[13] Hwang, K.S., Lee, J.H., Park, J., Yoon, D.S., Park, J.H., and Kim, T.S., Lab Chip, 4, 547-552, 2004.

[14] Gerdon, A.E., Wright, D.W., and Cliffel, D.E., Anal. Chem, 77, 304-310, 2005.

[15] Wood, R.W., Phil. Magm., 4, 396-402, 1902.

[16] Chou, S.-F., Hsu, W.-L., Hwang, J.-M., Chen, C.-Y., Biosensors Bioelectronics, 19, 999-1005, 2004.

[17] Rich, R.L. and Myszka, D.G., Curr Opin Biotechnol., 11, 54-61, 2000.

[18] Boozer, C., Ladd, J., Chen, S., and Jiang, S., Anal. Chem. A, 78, 1515-1519, 2006.

[19] Homola, J., Anal. Bioanal. Chem., 377, 528-539, 2003.

[20] Yalcm, A., et al., IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, 12, 148-155,2006.

[21] Boyd, R.W. and Heebner, J.E., Applied Optics, 40, 5742-5747,2001.

[22] Wu, M.-H., Cai, H., Wu, X., Urban, J.P.G., Cui, Z.-F., and Cui Z., Biomed. Microdevices, 7, 323-329, 2005.

[23] Zourob, M., Mohr, S., Brown, B.J.T., Fielden, P.R., McDonnell, M.B., and Goddard, N.J., Biosensors Bioelectronics, 21, 293-302, 2005.

[24] Berney H., et al., Sensors and Actuators B-Chemical, 68, 100-108, 2000.

[25] Kharitonov A.B., et al., Sensors and Actuators B-Chemical, 70, 222-231, 2000.

[26] Shin J.-K., et al., Electroanalysis, 16, 1912-1918, 2004.

[27] Zheng G., et al., Nature Biotechnology, 23, 1294-1301, 2005.

[28] Stern, E., et al., Nature, 445, 519-522, 2007