TW201713943A

TW201713943A - 應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器及其製造方法

Info

Publication number: TW201713943A
Application number: TW104133617A
Authority: TW
Inventors: 莊承鑫; 張凱傑; 張龍右; 吳熏培
Original assignee: 南臺科技大學
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2017-04-16
Also published as: TWI569010B

Abstract

本發明關於一種應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器及其製造方法，其步驟包含︰將導電溶液印刷於紙基板以形成具特定形狀之電極圖案；分別於紙基板及濾紙噴塗膠粘劑，並使膠體固化，而於紙基板及濾紙形成疏水區域，使濾紙具有流道而構成運輸層；於電極圖案表面修飾可結合待檢測分子之抗體奈米粒子以構成傳感層；再以親水膠依序將傳感層及運輸層貼合於吸收層；使所構成之感測器能透過運輸層及傳感層讓檢測電極與參考電極同時反應，再搭配分析儀讀取檢測數據，而能於運算阻抗數值後推算其反應程度，以完成生物材料免疫分析檢測。

Description

應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器及其製造方法

本發明係關於一種紙基板感測器及其製造方法，尤指應用於生物檢測晶片且具三維流道之感測器者。

根據Total Biosensor Market 2016年市場分析調查當中顯示，生物檢測器用於居家照護將會是生醫檢測未來之發展方式，且預估將有超過65%以上的使用族群著重於家庭診斷，使病患能於家中透過簡便且低成本的設備達到檢測功能。由於紙張具有低成本、高生產性及通用性…等特點，且利用紙張所製成之感測器能適用於較彈性、可移植、一次性及能簡易操作之檢測，其所賦予之可攜性、便利性及立即性使紙型感測器逐漸成為生物感測器未來之發展趨勢。

相關之先前技術，請參閱中華民國公開第201116412號專利，係揭露一種「網版印刷之功能性微系統」，其係於一基材上透過網版印刷使該基材上沈積有複數層第一墨水沈積物結構及第二墨水沈積物結構，並使第二墨水沈積物結構位於第一墨水沈積物結構相對處，位於第一及第二墨水沈積物結構之間上方設有外罩，以藉第一及第二墨水沈積物結構、基材及外罩界定一微流道，藉此，透過網版印刷多層堆疊之方式製作具不同電極厚度之感測器，進而控制感測器微流道高度，並利用電化學方或偵測檢測細胞與細菌之阻抗變化，藉以觀測出阻抗與濃度間之關係。

而，中國大陸公告第103041876號專利，係揭露一種「三維微流控紙芯片的製備及在現場電化學檢測中的應用」，其係於三張濾紙上批量打印出疏水蠟圖案，待熔蠟成型後，於濾紙上批量網印陣列工作電極、參比電極與對電極，並於濾紙的無工作電極面上批量打印辣根過氧化物酶和氧化酶，接著，裁剪紙芯片後透過雙面膠片粘合濾紙以構成電化學三維微流控紙芯片夾。

另，美國公告第8628729號專利，係揭露一種「三維微流體裝置」，其係包含至少二圖案化之多孔親水層，且於每一親水層設有不透液阻擋層並滲透親水層之厚度以形成限定邊界，位於二親水層以及每二個相鄰之親水層之間設有不透液層，且不透液層具有一對準至少一相鄰親水層內之至少一部分親水性區域的開口，並將一或多種試劑設置於親水區域以及親水區域之檢測區，用以比色檢測該檢測區中所存在之分析物。

有鑑於生物檢測器具有能減少檢體及試劑量、縮短反應時間、減少設備成本…等優點，而逐漸被廣為運用。是以，本發明之目的乃是透過將具不同功能之紙張多層堆疊於紙基材以建立一三維微流體帶，並藉此達成檢體過濾與檢測之功效。

本發明之另一目的係配合生物免疫反應機制使所製成之感測器能應用於多種檢測領域，並達到快速、高靈敏度之免疫分析檢測。

為達前揭目的，本發明之其中一種技術手段在於提供一種應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器製造方法，該方法包含︰ (a) 將導電溶液印刷於一紙基板以形成具特定形狀之電極圖案； (b) 分別於該紙基板及一濾紙噴塗膠粘劑，並使膠體固化，而於該紙基板及該濾紙形成疏水區域，使該濾紙具有一流道而構成運輸層； (c) 於該電極圖案表面修飾可結合待檢測分子之抗體奈米粒子以構成一傳感層； (d) 以親水膠依序將該傳感層及該運輸層貼合於一吸收層；以及 (e) 構成一紙基板感測器。

於本發明之一較佳實施例中，該步驟(a)之印刷方式為網版印刷。

於本發明之一較佳實施例中，該步驟(a)之導電溶液為貴金屬溶液，特別為銀膠溶液。

於本發明之一較佳實施例中，該步驟(a)之電極圖案為指叉式電極。

於本發明之一較佳實施例中，該步驟(a)之紙基板之材質為濾紙。

於本發明之一較佳實施例中，該步驟(b)之膠粘劑係透過UV燈固化。

於本發明之一較佳實施例中，該步驟(d)之吸收層之材質為無塵紙。

本發明之另一技術手段在於提供一種應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器，包含︰一吸收層，該吸收層包含一無塵紙，用以吸收多餘檢體；一傳感層，以親水膠結合於該吸收層，並包含一紙基板，位於該紙基板上印刷有電極圖案，且於該紙基板上方結合有膠粘劑，並使該膠粘劑固化而形成疏水區域，位於該電極圖案表面修飾有抗體奈米粒子；以及一運輸層，以親水膠結合於該傳感層，並包含一濾紙，位於該濾紙上方結合有膠粘劑，並使該膠粘劑固化而形成疏水區域及一流道，而能藉該流道運輸檢體。

於本發明之一較佳實施例中，該紙基板為濾紙。

於本發明之一較佳實施例中，該電極圖案係透過將銀膠溶液以網版印刷方式成型。

於本發明之一較佳實施例中，該膠粘劑係透過UV燈固化。

基於上述，使運用本發明所提供之技術手段製作之紙基材感測器具有三維流道，且能透過運輸層及傳感層使檢測電極與參考電極同時反應，再搭配分析儀讀取檢測數據，而能於運算阻抗數值後推算其反應程度，以完成生物材料免疫分析檢測。

為使貴審查委員瞭解本發明欲達成目的所運用之技術、手段及功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式，詳細說明如后︰

首先，請參閱第1-A~1-B圖所示，係本發明感測器製作之流程圖，包含下列步驟︰

於本實施例中，其感測器１包含一傳感層１１、一運輸層１２及一吸收層１３；而該感測器１製作上，（步驟Ｓ１）係選用具適當孔洞大小之濾紙作為印刷紙基板１１１，再藉由網版印刷技術將導電溶液印刷於紙基板１１１以形成具特定形狀之電極圖案１１２，較佳者，該導電溶液為貴金屬溶液，特別為銀膠溶液。而其電極圖案１１２為指叉式電極，並以左右兩邊呈梳狀排列。接著，（步驟Ｓ２）於紙基板１１１噴塗適量紫外線膠粘劑１１３，並使膠粘劑１１３穿透紙張深度，再透過照射UV燈使膠體固化而能遮蔽特定區域並於紙基板１１１形成疏水區域；且於另一濾紙１２１噴塗適量紫外線膠粘劑１２２，並同樣透過UV燈使膠體固化，使濾紙１２１具有疏水區域，並使濾紙１２１未噴塗膠體之部分形成一流道１２３，以構成運輸層１２。（步驟Ｓ３）位於電極圖案１１２表面修飾可結合待檢測分子之抗體奈米粒子１１４以構成一傳感層１１。（步驟Ｓ４）以親水膠依序將傳感層１１及運輸層１２貼合於一吸收層１３，以藉吸收層１３吸收多餘檢體；並構成一紙基板感測器１（步驟Ｓ５）。且能將該感測器１封裝於一具窗口２１之殼體２（配合參閱第2圖），並於殼體２與感測器１之間設一過濾層３。

基於上述技術手段，使所製成之感測器１藉由疏水區域形成可快速運輸檢體至檢測區之流道１２３（配合參閱第3圖），並透過使傳感層１１之印刷電極圖案１１２形成之檢測區１１５與參考區１１６同時反應，且搭配分析儀４以量測免疫分析前、後之阻抗值變化量，藉此完成生物材料免疫分析檢測。

由於近年來慢性腎臟病之盛行率於世界各國有逐年攀升的趨勢，且於本國有約九成以上患者不知自身罹患此病而延誤治療，因此，本發明之一研究實驗係將感測器１設計應用於尿液中蛋白質含量檢測。於此項實驗中，本發明係使用尺寸1微米之聚苯胺生物微米探針（PANI MPs），利用氧化還原方式將氧化鋁（Al₂ O₃ ）粒子表面包覆導電性聚苯胺（PANDB）材料，以矽烷官能基修飾粒子表面以供抗體鍵結形成探針並擔任生物識別元件，而無鍵結抗體之探針則作為對照，並分別將有鍵結抗體及無鍵結抗體之探針修飾於檢測區１１５及參考區１１６表面（配合參閱第4-A~4-B圖）。於此實驗中，本發明採用蛋白質溶液為檢體５滴入感測器１，使檢體５經由過濾層３緩衝後，由流道１２３導引至檢測區１１５及參考區１１６。透過生物抗體與蛋白質之間產生免疫分析反應後，所反應的蛋白質溶液中，抗原會與抗體產生自組性相嫁接現象，而能搭配市售阻抗分析儀４（LCR Meter）來讀取檢測數據，並於運算阻抗數值後推算其反應程度，以完成生物材料免疫分析檢測。其運算方式係透過阻抗變化率公式計算即［(免疫反應後-免疫反應前)/免疫反應前］，以得知反應過程中感測器１之變化率。實驗結果顯示（配合參閱第5圖），本發明之感測器１有鍵結抗體的阻抗數值明顯高於無鍵結抗體的阻抗數值，且二者差異達2.1倍，證明本發明之感測器１確實能分辨出感測檢體５中，其免疫分析的差別。

是以，透過本發明之技術手段製作之紙基板感測器１，顯然能達成如下之功效︰ 1. 本發明係依序透過以疏水區域界定供運輸檢體５之流道１２３的運輸層１２、利用網印技術印製指叉狀之銀微電極圖案１１２，而能用於量測免疫分析前後之阻抗值變化量的傳感層１１，以及能將多餘檢體５快速吸收之吸收層１３，使所構成之感測器１能利用特定蛋白與抗體間形成複合物，並以電阻值之變化來達到定量檢測與快速篩檢之目的。 2. 本發明之感測器１能配合生物免疫反應機制使其能應用於多種檢測領域，並具有多功能性、快速、高靈敏度及低成本等優點，而能用於臨床與化學分析及疾病檢測、食安問題、農藥殘留、流感病毒或是毒品篩檢…等其它檢測領域。 3. 本發明選用無塵紙材質作為吸收層１３，而能於感測時快速將多餘檢體５吸乾，使阻抗值能在短時間內穩定，有效的降低反映過程時間，並有助於後續數據量測。 4. 本發明之傳感層１１係利用網印技術取代傳統黃光微影製程，以藉此提高生產效率，並降低生產晶片之成本。 5. 本發明之運輸層１２於係採用可透過UV光固化之膠粘劑１１３（１２２）噴塗技術，成功的將濾紙圖案化而分別形成親疏水區域，且圖案化後之濾紙表面膜厚均勻，有利於後續實驗之進行。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例，並非用以限定本發明之實施範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

綜上所述，本發明確實已突破傳統並具有改良及創新之創作內容且能具體實施，理應符合發明專利之法定要件，爰依法提出專利申請，懇請　鈞局審查委員授予合法專利權，以勵創作，至感德便。

本發明︰
Ｓ１～Ｓ５‧‧‧步驟
１‧‧‧感測器
１１‧‧‧傳感層
１１１‧‧‧紙基板
１１２‧‧‧電極圖案
１１３‧‧‧膠粘劑
１１４‧‧‧抗體奈米粒子
１１５‧‧‧檢測區
１１６‧‧‧參考區
１２‧‧‧運輸層
１２１‧‧‧濾紙
１２２‧‧‧膠粘劑
１２３‧‧‧流道
１３‧‧‧吸收層
２‧‧‧殼體
２１‧‧‧窗口
３‧‧‧過濾層
４‧‧‧分析儀
５‧‧‧檢體

第1-A~1-B圖係本發明感測器製作之流程圖。第2圖係本發明感測器封裝之流程圖。第3圖係本發明感測器檢測之示意圖。第4-A~4-B圖係本發明感測器免疫分析之示意圖。第5圖係本發明感測器免疫分析結果之曲線圖。

1‧‧‧感測器

11‧‧‧傳感層

112‧‧‧電極圖案

115‧‧‧檢測區

116‧‧‧參考區

123‧‧‧流道

3‧‧‧過濾層

4‧‧‧分析儀

5‧‧‧檢體

Claims

一種應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器製造方法，包含下列步驟︰ (a) 將導電溶液印刷於一紙基板以形成具特定形狀之電極圖案； (b) 分別於該紙基板及一濾紙噴塗膠粘劑，並使膠體固化，而於該紙基板及該濾紙形成疏水區域，使該濾紙具有一流道而構成運輸層； (c) 於該電極圖案表面修飾可結合待檢測分子之抗體奈米粒子以構成一傳感層； (d) 以親水膠依序將該傳感層及該運輸層貼合於一吸收層；以及 (e) 構成一紙基板感測器。
如請求項1所述之應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器製造方法，其中，該步驟(a)之印刷方式為網版印刷。
如請求項1所述之應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器製造方法，其中，該步驟(a)之導電溶液為銀膠溶液。
如請求項1所述之應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器製造方法，其中，該步驟(a)之電極圖案為指叉式電極。
如請求項1所述之應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器製造方法，其中，該步驟(a)之紙基板之材質為濾紙。
如請求項1所述之應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器製造方法，其中，該步驟(b)之膠粘劑係透過UV燈固化。
如請求項1所述之應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器製造方法，其中，該步驟(d)之吸收層之材質為無塵紙。
一種應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器，包含︰一吸收層，該吸收層包含一無塵紙，用以吸收多餘檢體；一傳感層，以親水膠結合於該吸收層，並包含一紙基板，位於該紙基板上印刷有電極圖案，且於該紙基板上方結合有膠粘劑，並使該膠粘劑固化而形成疏水區域，位於該電極圖案表面修飾有抗體奈米粒子；以及一運輸層，以親水膠結合於該傳感層，並包含一濾紙，位於該濾紙上方結合有膠粘劑，並使該膠粘劑固化而形成疏水區域及一流道，而能藉該流道運輸檢體。
如請求項8所述之應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器，其中，該紙基板為濾紙。
如請求項8所述之應用於生物檢測晶片之具三維流道紙基板感測器，其中，該膠粘劑係透過UV燈固化。