奈米半導體元件技術在疾病檢測的應用

嚴重特殊傳染性肺炎（Coronavirus disease 2019，Covid-19）疫情在全球爆發至今已超過一千個日子，為了能展開與新冠病毒（SARSCoV-2）共存的新常態，以及改善過去三年「捅鼻子」日常，在台灣有間專注開發半導體生物感測器的生醫新創[1]，以奈米矽場效電晶體（Silicon Nanowire Field Effect Transistor，SiNW-FET）技術為基礎，利用半導體元件的物理和特性，結合生物檢測的原理，針對新冠病毒開發「半導體生物感測器平台」。產品包含核酸檢測晶片、微量生醫分子檢測儀以及檢測試劑，於110 年12 月取得台灣EUA 緊急使用授權，以提供醫療端及第一線場域一種流程簡單、安全、快速準確的新世代生醫晶片，正式向世界宣告『精準檢測』的時代已經到來。這樣跨域整合的半導體新應用，到底是怎麼做到的呢？

生物感測器簡介

生物感測器（Biosensor）是由檢測元件及生物標誌（Biomarker）所組成，是一種對特定生物分子具有辨識能力，且可反映生物分子之間交互作用的感測器[2]。藉由系統多功的元件測得反應，將訊號轉換及輸出後，獲得光學、電化學、電磁或電流等訊號。每一種檢測的特色都不一樣，可應用的場域也有所不同，其中在市面上大家最常見的就是使用電化學原理的血糖感測器[3]。
生物感測器基本的條件是對生物分子要有靈敏度、選擇性、專一性、再現性和穩定性。檢測元件和系統是靈敏度、穩定性和再現性的關鍵，靈敏度指的是對於待測物可以檢測到的最低濃度，也稱為檢測極限（Limit of Detection，LOD）。穩定性是指感測器系統對內部和周圍環境干擾的敏感程度，因為干擾可能會造成信號不穩定的現象，導致信號輸出的判讀錯誤，進而影響準確性。具有穩定性之後，才能談再現性。再現性如同字面所述就是檢測的結果可再次呈現，因此除了準確性之外還需要擁有一定的精密度才能達到目的。
生物標誌的存在是為了辨識生物分子，例如細胞、病毒、基因等，因此最直接影響到的就是選擇性和專一性。選擇性指的是可檢測到特定待測物的能力，專一性是『只會』檢測到特定的待測物，其他非待測物都不會干擾檢測結果。這兩者的差異常常是來自於生物標誌本身的特性，例如可檢測到癌細胞的單株抗體和多株抗體，雖然兩者都有選擇性，但單株抗體比多株抗體專一性更高。篩選適合用於感測器的生物探針非常重要，因為它會影響到感測器的再現性和穩定性。

奈米矽場效電晶體生物感測器緣起及優勢

利用奈米半導體元件作為生物感測器這個概念最早是在2001 年，由前哈佛大學教授C.M. Lieber 所提出，他們的實驗證實當電晶體之矽線尺寸縮小至奈米尺度，可提高檢測靈敏度，並有即時檢測的特性[4]，適合應用於分子的檢測。在台灣，2002 年中央研究院物理研究所陳啟東研究團隊也在中研院及國科會的支持下，展開以奈米矽場效電晶體檢測生物分子的研究[5,6]。團隊利用半導體製程製作出有檢測功能的奈米矽場效電晶體半導體元件，再利用化學表面處理製程將生物探針固定在元件表面，成功做出具有檢測功能性的生物感測器如圖一。而後陸續有研究團隊從不同的材料（例如奈米碳管、石墨烯[7]）、元件結構設計、量測電路等領域進行相關研究。此技術也常用於不同種類的生物分子，例如核酸、抗體抗原蛋白質或病毒等生醫檢測，直到現在都還是很熱門的題目，也是半導體產業跨至生技產業的嶄新應用。

圖一：（a）奈米矽場效電晶體結構示意圖。晶片是使用絕緣層上矽（Silicon-On-Insulator，SOI）晶圓，利用半導體製程製作出奈米矽場效電晶體的結構。奈米矽線在電晶體最上層，矽線厚度為40 奈米，線寬為200 奈米，矽線表面有10奈米的氧化層作為絕緣層。（b）奈米矽場效電晶體光學顯微鏡及掃描式電子顯微鏡照片。紅色框為奈米矽線的區域，利用掃描式電子顯微鏡可清楚觀測到奈米矽線。（取自陳啟東團隊於2013 年發表在Nano Letters 國際期刊之文章[6] ）

以奈米場效電晶體發展生物感測器，最大的優勢也是最重要的特性即是元件的高靈敏度。在所有的檢測中，待測物的含量或是濃度必須高於檢測極限才測得到，因此具高靈敏度的感測器，即便環境中只有一點點微量的待測物也可以感測到，可以大幅增加微量生物分子檢測的精準度。這樣的優勢已突破目前所有生物感測器以及現行檢測技術的檢測極限，在食安、醫療、環境都有多元的應用，而在醫療檢測最大的優勢就是不需要將待測物數量擴增放大，就可以獲得精準的檢測結果，大幅降低偽陰性或偽陽性的問題發生。

奈米矽場效電晶體生物感測器簡介

場效電晶體是半導體常見的元件，而半導體最常見的矽（Si）是具有四個價電子的化學元素。價電子是原子最外層電子殼層中的電子，當原子與鄰近原子共用電子時就會形成共價鍵。所以一個矽原子，可與鄰近的四個矽原子形成四個共價鍵，其導電性介於導體與絕緣體之間，故稱為「半導體」。當在半導體中，摻入原子最外層帶有三個電子的三價元素，如硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga），則會造成一個電洞，這稱為p（positive）型半導體。在半導體中摻入原子最外層帶有五個電子的五價元素，例如磷（P）或砷（As），則會有一個多餘的電子，電子帶負電，故為n（negative）型半導體。
場效電晶體工作原理是利用外加『電場』改變元件表面附近的電荷形成正或負電場，進而控制元件通道內電子或電洞的傳導。奈米矽場效電晶體結構是以奈米矽線作為載子通道，通道的兩端連接源極（source）、汲極（drain），閘極（Gate）可以設計於元件背面或正面。源極和汲極兩者間的電壓稱為Vds，是控制汲極和源極間載子之電流的開關。而施加在閘極之電壓稱Vg，可改變通道大小，控制汲極的輸出電流，『場效應』指的就是透過閘極電壓影響電場以達到控制電流的目的。
以n型半導體元件為例，通道內流動的是帶負電的電子，可量測得到電流電壓特性曲線，如下頁圖二所示。在給一固定 Vds 時，元件的電流會隨著Vg 增加，電流越大。當元件因分子電荷所產生負電場，通道內的電子會被負電場排斥，電子數量就會減少，造成電流變小，正如同電壓被調降而使電流下降；反之，若產生的是正電場，通道內的電子數量就會增加，造成電流變大，如同電壓被調升而使電流上升。因此，場效電晶體可透過分子間電荷所導致電場的改變來進行檢測。p型半導體的電性現象則是與n 型半導體相反。
奈米矽線可以是用奈米化學技術由小做大（Bottom up）合成出來，也可以用半島體製程由上而下（Top down）的方式，透過塗布光阻、微影成像、顯影、蝕刻、去除光阻的方式製作出來。兩種不同的方式都有不同的研究團隊在進行相關的研究，但目前唯一成功上市的是使用半導體製程的技術。半導體產業是台灣的強項，也是台灣開發奈米矽場效電晶體生物感測器時擁有的優勢。
而將奈米元件製作成生物奈米元件，只要將生物標誌的探針或受體利用化學表面修飾的技術固定在元件表面，即可讓元件具備生物分子之檢測功能。以新冠病毒檢測為例，將新冠病毒核酸特定片段互補的序列作為探針固定在元件表面，就有檢測新冠病毒核酸的功能。如果今天要直接測新冠病毒，由於新冠病毒的膜上有突刺蛋白（Spike protein），因此只需要將突刺蛋白抗體固定在晶片表面，就可以直接檢測新冠病毒，如圖三所示。不論是檢測核酸或是病毒，由於生物分子在特定的環境中都會帶有電荷，當生物標誌與探針進行交互作用之後，整體的電荷數量和分佈都會改變，進而造成奈米元件通道內的載子濃度改變，這會反映在電流變化上，因此透過電流的增減就可以得知檢測結果，圖四就是利用生物奈米元件檢測病毒的實例，實驗中，透過分析加入陰性對照組檢體以及陽性檢體前後的電流變化，可立即確認檢體中是否含有病毒。至於如果要擴大應用檢測不同的生物分子，只要置換相對應且具專一性的生物探針，就可以檢測不同類型的生物分子。

圖二：半導體元件特性示意圖。（a）、（c）是n 型半導體；（b）、（d）是p 型半導體。（a）當給元件固定的Vds，n 型的電流會隨著Vg 越正（越大），電流越大。（b）p 型的電流隨著Vg 越負（越小），電流越大。（c）當同時固定Vds 和Vg，可量電流隨著時間的變化。在量測過程中，透過分子的電場或調整Vg 會影響電子數量，改變電流。將Vds 設為0.5 V，Vg 為1 V 時，電流約為18 nA，在5 秒時，將Vg 調降至約0.9 V，電流變小（藍色箭頭）；10 秒時將Vg 調至約1.1 V，電流變大（紅色箭頭）。如Vg 不變，透過分子場的正負電影響，也是一樣的結果。（d）p 型半導體在Vds 為0.5 V，Vg 為−0.2 V 時，一樣可得約18 nA 的電流，當Vg 調降至約−0.3 V，電流變大，Vg 調至0，電流變小。電流特性與n 型相反。

多元應用與未來展望

除了新冠病毒之外，奈米矽場效電晶體也可應用在許多不同的疾病檢測中。尤其是那些很難在早期被發現，以至於經常錯過治療黃金時期的疾病。例如癌症檢測、心肌梗塞、腦部退化性疾病等。

圖三：生物奈米元件檢測核酸、病毒示意圖。在奈米元件表面固定生物探針（例如抗體、核酸探針）後即成為生物奈米元件，對特定的病毒和目標核酸有專一性的檢測能力。

圖四：利用生物奈米元件檢測病毒的結果。實驗中，在元件的檢測區域中依序加入兩次的緩衝溶液確認元件的穩定性。在100 秒時加入陰性對照組，電流沒有變化代表此生物探針沒有和其他的生物分子進行反應，約140 秒時加入陽性檢體，電流立即上升，代表成功檢測到病毒。

在心肌梗塞的檢測中，過去我們只能透過心電圖捕捉到異常訊號才能檢測，靈敏度低且效率不高，但現在我們可以將肌酸激酶（Creatine Kinase）或肌鈣蛋白（Troponins）作為生物標誌物並檢測其濃度，來進行早期診斷治療。而在腦神經退化疾病最常見的就是好發於65 歲以上的阿茲海默症，這會使患者短期記憶喪失、語言障礙、情緒不穩定。在阿茲海默症的精準檢測中，我們則可以檢測β 類澱粉蛋白質（β-amyloid protein）及濤蛋白（Tau protein）的濃度或是血液樣本中與β 澱粉樣斑塊（amyloid β）結合的外泌體（exosomes）來識別是否罹患阿茲海默症。此外，在目前已知超過200 種的癌症中，常見的診斷方法包括超聲波、CT 掃描、核磁共振，這些通常無法用於早期癌症的檢測，但透過奈米矽場效電晶體生物感測器，我們可以檢測在癌症早期就會產生的生物標誌物來及早檢測出各種癌症，這是醫學上相當大的突破與進展。
新冠病毒疫情加速了奈米矽場效電晶體生物感測器的商品化，且透過新冠病毒臨床實驗讓大家提升了對此技術的認識和應用於醫學檢測的信心。比爾蓋茲曾預言在2025 年可能會出現比新冠病毒更恐怖的超級病毒，或許在下一次超級病毒來臨，會是奈米矽場效電晶體生物感測器真正發揮即戰力的舞台。

參考資料

1.  簡惠如（2022）。矽基電學生物晶片 檢測新冠不再聲聲慢。遠見雜誌，433，196-198。
2. Nikhil, B., et al. （2016）. Introduction to biosensors. Essays in Biochemistry, 60（1）, 1-8.
3. Gonzales, W. V., et al（. 2019）.The progress of glucose monitoring—A review of invasive to minimally and non-invasive techniques, devices and sensors. Sensors, 19（4）, 800.
4. Cui, Y., et al（. 2001）. Nanowire Nanosensors for Highly Sensitive and Selective Detection of Biological and Chemical Species. Science, 293（5533）, 1289-1292.
5. Lin, M. C., et al. （2007）. Control and Detection of Organosilane Polarization on Nanowire Field-Effect Transistors. Nano Lett., 7（12）, 3656-3661.
6. Chu, C. J., et al. （2013）. Improving Nanowire Sensing Capability by Electrical Field Alignment of Surface Probing Molecules. Nano Lett.,13（6）, 2564-2569.
7. Seo, G., et al. （2020）. Rapid Detection of COVID-19 Causative Virus（SARS-CoV-2）in Human Nasopharyngeal Swab Specimens Using Field-Effect Transistor-Based Biosensor. ACS Nano, 14（4）, 5135-5142.