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TWI765209B - 用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器以及包含生物感測器的生物感測器組 - Google Patents

用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器以及包含生物感測器的生物感測器組 Download PDF

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TWI765209B
TWI765209B TW109100419A TW109100419A TWI765209B TW I765209 B TWI765209 B TW I765209B TW 109100419 A TW109100419 A TW 109100419A TW 109100419 A TW109100419 A TW 109100419A TW I765209 B TWI765209 B TW I765209B
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鄭采和
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Abstract

本發明揭示一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器，其包含一源極、一汲極，以及一設置在該源極以及該汲極之間的生物感測構件。該生物感測構件包括至少一半導體導線、一表面修飾層，以及數個偵測元件。該半導體導線供作為一連接該源極與該汲極的半導體通道，並具有一長度以允許該生物感測構件捕捉全細胞細菌。本發明亦揭示一種包括該生物感測器之以場效電晶體為主的生物感測器組。

Description

用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器以及包含生物感測器的生物感測器組
本件申請案主張於2019年1月18日提申的美國臨時申請案序號62/793,974的優先權，它的內容在此被併入本案以作為參考資料。
本發明是有關於一種以場效電晶體為主的生物感測器，特別是指一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器。本發明亦有關於一種以場效電晶體為主的生物感測器組，其包含該以場效電晶體為主的生物感測器。
細菌病原體的偵測是各個領域中最重要的事，其包括食品與醫藥產業、公共衛生、社會安全等等。在食品產品、醫藥用品或水資源中的病原菌(pathogenic bacteria)的汙染可能會導致嚴重的後果。舉例來說，若人類族群接觸到諸如細菌性病原體(bacterial pathogens)的汙染源，可能會導致細菌感染的爆發，也是發病率以及死亡率的常見原因之一。因此，細菌性病原體的迅速偵測對於限制細菌感染的爆發是重要的。偵測速率越快速，則會有越多反應時間可以用來控制爆發，並且可以越快讓被感染的病患接受治療。
傳統的細菌性病原體偵測方法包括培養篩選法、聚合酶鏈反應法、以免疫學為主的方法等等。雖然這些傳統的偵測方法允許偵測單一的細菌，但卻必須去放大所偵測到的訊號。傳統的偵測方法還需要將單一細胞培養成細胞群落，這相當費時，且通常需要花費到72小時。再者，傳統的偵測方法被限制於專業的實驗室中才能執行，並且需要經訓練的人員。除此之外，為了縮短偵測時間以及簡化試驗程序，直接偵測細菌性病原體的全細胞是優於偵測其之生物分子，因後者需要延長試驗時間且因此增加花費之額外純化步驟。
因此，本發明的目的在提供一種生物感測器，其能夠偵測全細胞細菌。
依據本發明的第一個方面，本發明提供一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器。該以場效電晶體為主的生物感測器包含一源極、一在一第一方向上與該源極相間隔的汲極，以及一設置在該源極以及該汲極之間的生物感測構件。該生物感測構件包括至少一半導體導線、一表面修飾層，以及數個偵測元件。該至少一半導體導線供作為一連接該源極與該汲極的半導體通道，並且在該方向上具有一長度，以允許該生物感測構件捕捉全細胞細菌。
依據本發明的第二個方面，本發明提供一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組。該以場效電晶體為主的生物感測器組包含數個如本發明的第一個方面所提供的生物感測器，該等生物感測器彼此能被替代。
參照圖1與2，依據本發明的一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器10之一第一具體例，包含一源極11、一在一第一方向(x)上與該源極11相間隔的汲極12，以及一設置在該源極11以及該汲極12之間的生物感測構件13。
該生物感測構件13包括一半導體導線131、一表面修飾層132，以及數個偵測元件133。
該半導體導線131供作為一連接該源極11與該汲極12的半導體通道，並在該第一方向(x)上具有一長度，以允許該生物感測構件13捕捉全細胞細菌。在某些具體例中，該半導體導線131的長度範圍為1 μm至5 μm。該半導體導線131在一橫向於該第一方向(x)的第二方向(y)上還具有一寬度。在某些具體例中，該寬度範圍為100 nm至400 nm。在某些具體例中，該半導體導線131具有1.6 μm的長度以及100 nm的寬度。
在某些具體例中，該半導體導線131是由一材料所製成，例如：多晶矽(polycrystalline silicon)、單晶矽(monocrystalline silicon)、二氧化鉿(hafnium dioxide)、氧化鋁(aluminum oxide)、氧化鋯(zirconium oxide)，以及氧化鑭(lanthanum oxide)，但不以此為限。
參照圖1與3，該表面修飾層132是形成於該半導體導線131上，並包括數個遠離該半導體導線131而形成的連接部分134。在某些具體例中，該表面修飾層132是藉由如下所述的程序來形成。
具體來說，該半導體導線131是被進行一氧氣電漿處理(oxygen plasma treatment)，藉由形成羥基於其上而使得該半導體導線131的表面變得更為親水。之後，該半導體導線131是被浸沒於3-胺基丙基三乙氧矽烷(3-aminopropyltriethoxysilane, APTES)溶液中以在該半導體導線131的表面上形成一胺基末端單層(amino-terminal monolayer)。該半導體導線131接著被浸沒於戊二醛(glutaraldehyde, GA)溶液以形成在該表面修飾層132的表面上設置有數個末端醛基(亦即，該等連接部分134)的表面修飾層132。
該等偵測元件133是結合至該表面修飾層132並且能夠捕捉全細胞細菌。具體來說，該等偵測元件133是分別地結合至該表面修飾層132的連接部分134。在某些具體例中，形成有該表面修飾層132的半導體導線131是被浸沒於一抗體溶液中，以令抗體中的胺基附著到GA溶液的末端醛基，用以將抗體固定至該表面修飾層132的表面。
除了抗體之外，該等偵測元件133可以是適體(aptamers)或胜肽(peptides)，但不以此為限。
該以場效電晶體為主的生物感測器10之第一具體例還包含一供該源極11、該汲極12以及該生物感測構件13設置於其上的隔離層14，以及一設置在該隔離層14下方並且電連接至該源極11以及該汲極12的閘極15。在某些具體例中，該隔離層14是由介電材料所製成。
參照圖4，依據本發明的一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器10之一第二具體例，其相似於該第一具體例，不同之處在於，在該第二具體例中所包含的生物感測構件13包括數個半導體導線131。在某些具體例中，該等半導體導線131的數量可以是高達40個。
參照圖5與6，依據本發明的一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組1之一第一具體例，包含數個在該第二方向(y)上且彼此能被替代的生物感測器10，並且該等生物感測器10被排列呈一縱列。
該以場效電晶體為主的生物感測器組1之第一具體例還包含一微流體構件20以及一覆蓋該微流體構件20的丙烯酸蓋30。
該微流體構件20界定一在該第二方向(y)上延伸的微流體通道21，以讓一含有細菌的流體從其中通過，並且被設置在該等生物感測器10上，以允許在該微流體通道21中的細菌進入該等生物感測器10的生物感測構件13。該微流體構件20可以是，舉例來說，由聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)經過成型(molding)所製成。該微流體通道21具有一上游端部以及一下游端部。該微流體構件20形成有一入口22以及一出口23，分別地設置在該微流體通道21的上游端部以及下游端部，以與該微流體通道21流體相互流通。
該丙烯酸蓋30設置有兩個連接至一注射泵(圖未顯示)的管31。該等管31是分別地對準該入口22以及該出口23。
該以場效電晶體為主的生物感測器組1之第一具體例可以藉由金屬棒41以及螺帽42來被夾持在一金屬平台40上的一位置。
當該以場效電晶體為主的生物感測器組1之第一具體例被用來偵測全細胞細菌時，使用該注射泵來充填一緩衝液歷時一段時間，以令該緩衝液流入該等管31中之一者，流經該入口22、該微流體通道21與該出口23，並自該等管31中之另一者流出，以用來在測量ID-VG反應之前穩定該以場效電晶體為主的生物感測器組1。只有在得到三個連續重疊的汲極電流-閘極電壓曲線(ID-VG曲線)之後，該以場效電晶體為主的生物感測器組1才被視為穩定，並且最終的ID-VG曲線被用作為下面的生物感測程序中的基線。然後，該緩衝液藉由使用該注射泵來充填一待測的生物樣品歷時一段時間，而自該微流體通道21中被移除。接著，該緩衝液使用該注射泵來泵送至該微流體通道21中歷時一段時間，以移除任何非專一性的結合，繼而測量該生物樣品的ID-VG反應。如上所述，在該曲線能夠被確認作為該生物樣品的訊號之前，三個連續重疊的ID-VG曲線是被需要的。
參照圖7，在該生物樣品中的細菌濃度可以根據在作為基線的ID-VG曲線以及測量該生物樣品所得到的ID-VG曲線之間的訊號差異而被測定，舉例來說，根據作為基線的ID-VG曲線之閾值電壓以及測量該生物樣品所得到的ID-VG曲線之閾值電壓兩者之間的比較結果。
參照圖8，依據本發明的一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組1之一第二具體例，其相似於該第一具體例，不同之處在於，在該第二具體例中，該微流體構件20是被一開放井構件20’取代，並且該第二具體例中的丙烯酸蓋30的構造是不同於在該第一具體例中的丙烯酸蓋30的構造。
該開放井構件20’界定一在該第二方向(y)上延伸的開放井21，用來容納一含有細菌的流體於其中，並且其設置在該等生物感測器10上，以允許在該開放井21’中的細菌進入該等生物感測器10的生物感測構件13。
在該第二具體例中的丙烯酸蓋30設置有一溝槽32，其對齊於該開放井構件20’的開放井21’。
當該以場效電晶體為主的生物感測器組1之第二具體例被用來偵測全細胞細菌時，將被偵測之該緩衝液或該生物樣品是使用一量吸管(pipette)來充填至該開放井21’中。
參照圖9，依據本發明的一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組1之一第三具體例，其相似於該第一具體例，不同之處在於，在該第三具體例中的生物感測器10是被排列呈一陣列型式(array pattern)，並且該微流體構件20界定一呈S形的微流體通道21。
同樣地，依據本發明的一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組1之一第四具體例，其相似於該第二具體例，不同之處在於，在該第四具體例中的生物感測器10是被排列呈一陣列型式，並且該開放井構件20’界定一呈S形的開放井21’。
參照圖10，依據本發明的一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組1之一第五具體例，其相似於該第一具體例，不同之處在於，在該第五具體例中的生物感測器10是被排列呈一圓形型式(circular pattern)，並且該微流體構件20界定一呈圓形的微流體通道21。
同樣地，依據本發明的一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組1之一第六具體例，其相似於該第二具體例，不同之處在於，在該第六具體例中的生物感測器10是被排列呈一圓形型式，並且該開放井構件20’界定一呈圓形的開放井21’。
基於上述，由於本發明的以場效電晶體為主的生物感測器所包括的半導體導線具有一特定的長度以允許該生物感測構件捕捉全細胞細菌，以及由於該生物感測構件所包括的偵測元件對於偵測細菌具有高度的敏感性以及專一性，因此本發明的以場效電晶體為主的生物感測器組能夠被用來在一短暫的時間內或甚至是即時地偵測全細胞細菌，因而消除了費時的細胞培養程序之需要。
在上面的詳細說明中，為了說明的目的，許多具體細節已被描述以供徹底瞭解具體例。然而，對於一熟悉本技藝者而言將會明顯的是，一或多個其他具體例可在沒有這些具體細節中的部分者而被實施。亦應被瞭解的是，本說明書通篇所提及之“一個具體例(one embodiment)”、“一具體例(an embodiment)”，一帶有序號標示的具體例等等意指一特定的特徵、結構或特性可被包括在本發明的實施中。在詳細說明中應被進一步瞭解的是，為了精簡本發明並有助於理解各種不同的發明方面之目的，各種不同的特徵有時被集合在一個單一的具體例、圖式或其說明中，在實施本發明時，若適當，來自於一個具體例的一或多個特徵或具體細節可與來自於另一個具體例的一或多個特徵或具體細節一起被實施。
雖然本發明已參照被視為是示範性具體例者而被描述，應被瞭解的是：本發明不受到所揭示的具體例限制，而意欲涵蓋被包括在最廣泛的解釋之精神與範疇中之各種不同的配置，俾以包含所有這類的修改以及等效的配置。
1:以場效電晶體為主的生物感測器組 10:以場效電晶體為主的生物感測器 11:源極 12:汲極 13:生物感測構件 131:半導體導線 132:表面修飾層 133:偵測元件 134:連接部分 14:隔離層 15:閘極 20:微流體構件 21:微流體通道 22:入口 23:出口 20’:開放井構件 21’:開放井 30:丙烯酸蓋 31:管 32:溝槽 40:金屬平台 41:金屬棒 42:螺帽 x:第一方向 y:第二方向
本發明的上述以及其它目的、特徵與優點，在參照以下的詳細說明與較佳實施例和隨文檢附的圖式後，將變得明顯，其中： 圖1是依據本發明的用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器之一第一具體例的一示意圖； 圖2是依據本發明的用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器之第一具體例的一平面示意圖； 圖3是說明形成依據本發明的用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器之第一具體例所包括的表面修飾層的反應流程圖。 圖4是依據本發明的用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器之一第二具體例的一平面示意圖； 圖5是依據本發明的用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組之一第一具體例的一分解示意透視圖； 圖6是依據本發明的用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組之第一具體例的一平面示意圖； 圖7是一曲線圖，說明全細胞細菌濃度的測定是根據得自於依據本發明的以場效電晶體為主的生物感測器組之偵測結果； 圖8是依據本發明的用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組之一第二具體例的一分解示意透視圖； 圖9是依據本發明的用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組之一第三具體例的一平面示意圖； 圖10是依據本發明的用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組之一第五具體例的一平面示意圖。
10:以場效電晶體為主的生物感測器
11:源極
12:汲極
13:生物感測構件
131:半導體導線
132:表面修飾層
133:偵測元件
134:連接部分
14:隔離層
15:閘極
x:第一方向

Claims (13)

  1. 一種用來偵測全細胞細菌之以場效電晶體為主的生物感測器組，包含：數個生物感測器，該等生物感測器彼此能被替代；該生物感測器包含：一源極；一汲極，在一第一方向上與該源極相間隔；以及一生物感測構件，設置在該源極以及該汲極之間，並包括：至少一半導體導線，供作為一連接該源極與該汲極的半導體通道，並在該第一方向上具有一長度，以允許該生物感測構件捕捉全細胞細菌；一表面修飾層，形成在該半導體導線上；以及數個偵測元件，結合至該表面修飾層並且能夠捕捉全細胞細菌。
  2. 如請求項1所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，其中，該等生物感測器是在一橫向於該第一方向的第二方向上彼此間隔，並且被排列呈一縱列。
  3. 如請求項1所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，其中，該等生物感測器被排列呈一陣列型式。
  4. 如請求項1所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，其中，該等生物感測器被排列呈一圓形型式。
  5. 如請求項2所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，還包含：一微流體構件，界定一在該第二方向上延伸的 微流體通道，以讓一含有細菌的流體從其中通過，並且該微流體構件被設置在該等生物感測器上，以允許在該微流體通道中的細菌進入該生物感測構件。
  6. 如請求項5所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，其中，該微流體通道具有一上游端部以及一下游端部，該微流體構件形成有一入口以及一出口，分別地設置在該微流體通道的上游端部以及下游端部，以與該微流體通道流體相互流通。
  7. 如請求項2所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，還包含：一開放井構件，界定一在該第二方向上延伸的開放井，用來容納一含有細菌的流體於其中，並且該開放井構件被設置在該等生物感測器上，以允許在該開放井中的細菌進入該生物感測構件。
  8. 如請求項3所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，還包含：一微流體構件，界定一呈S形的微流體通道，以讓一含有細菌的流體從其中通過，並且該微流體構件被設置在該等生物感測器上，以允許在該微流體通道中的細菌進入該生物感測構件。
  9. 如請求項8所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，其中，該微流體通道具有一上游端部以及一下游端部，該微流體構件形成有一入口以及一出口，分別地設置在該微流體通道的上游端部以及下游端部，以與該微流體通道流體相互流通。
  10. 如請求項3所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，還包含：一開放井構件，其界定一呈S形的開放井，用來容納一含有細菌的流體於其中，並且該開放井構件被設置在該等生物感測器上，以允許在該開放井中的細菌進入該生物感測構件。
  11. 如請求項4所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，還包含：一微流體構件，其界定一呈圓形的微流體通道，用來讓一含有細菌的流體從其中通過，並且該微流體構件被設置在該等生物感測器上，以允許在該微流體通道中的細菌進入該生物感測構件。
  12. 如請求項11所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，其中，該微流體通道具有一上游端部以及一下游端部，該微流體構件形成有一入口以及一出口，分別地設置在該微流體通道的上游端部以及下游端部，以與該微流體通道流體相互流通。
  13. 如請求項4所述的以場效電晶體為主的生物感測器組，還包含：一開放井構件，界定一呈圓形的開放井，用來容納一含有細菌的流體於其中，並且該開放井構件被設置在該等生物感測器上，以允許在該開放井中的細菌進入該生物感測構件。
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