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作者:財團法人工業技術研究院生醫與醫材研究所謝惠珠研究員

生物感測器(biosensor)是結合生物組成與物理化學檢測的分析裝置，通常包含三個部分：辨識用元件(如酵素、抗體或核酸等)、連接二者的轉換器(transducer)及檢測用元件如(光學、熱傳導及電化學等)。隨著應用的多元化，簡單、易使用的攜帶型的檢測儀的需求越來越廣，尤其應用在臨床檢測或健康照護方面。有別於實驗室檢測，近年來定點照護檢測(point of care test, POCT) 這種可於床邊或診間進行的檢測方式越來越受到重視，這樣的檢測不僅需要具備快速、靈敏且高選擇性的檢測特性，還必須是小型、便宜的整合性裝置。

電化學生物感測系統相較於其他檢測方式具有靈敏、易操作、便宜、不受環境干擾、可小型化及低耗能等優點，故在定點照護檢測的應用上具有相當大的發展潛力，最普遍的例子就是血糖儀。

電化學生物感應器最早是由Clark 及 Lyons於1962年所提出，他們在電極上建構了含有血糖酵素的薄膜用以偵測血糖；1976年，Clemens等人在人工胰臟中加入電化學式血糖感應器，後來由Miles (Elkhart) 開發成產品 Biostator；1970年，Liedberg 發表了利用固定化抗體及電位或壓電效應偵測而形成的免疫電化學生物感應器。1992 i-STAT發表了第一個手持式血液分析儀；2003年亞培以近四億美金的價錢併購了i-STAT，並發展一系列臨床檢測產品。

一般市售的電化學檢測系統包含電訊號的讀取系統及拋棄式的試片，兩個部分，電化學的偵測原理主要是電極轉換器上建構一層用以進行生物辨識或與偵測標的具親和性作用的分子或物質，這些用於進行生物分子辨識的物質可以是蛋白質、抗體、核酸或高分子聚合物，而在生物辨識元件上，除了常見的酵素及抗體外， 近幾年核酸適體(aptamer)及分子模版(molecular imprinting polymer)也陸續增加中 ，尤其近幾年aptamer篩選技術及molecular imprinting製備技術的進步，其辨識的親和力及特異性幾乎可與抗體相等。

在電極材質上則可能為黃金及白金等金屬、非金屬的碳膠或石墨或半導體材料等。電化學式生物感應器通常具有三個電極，包括參考電極(reference electrode)、輔助電極(counter electrode)及工作電極(working electrode)。最常見的參考電極的材料為Ag/AgCl，參考電極與反應區通常會保持一定的距離以維持一穩定的電壓。工作電極為主要的反應區並負責將生物辨識或作用的程度轉化為電子訊號。而輔助電極則負責連接系統與電解水溶液，讓系統可以施加電流至工作電極上。既然主要的反應是發生在電極表面，電極本身的材質、表面修飾及尺寸設計對生物感應器的檢測效果有決定性的影響。

此外，如何將辨識用的分子直接或間接固定在不同材質的電極表面上也是影響檢測效果的因素之一，將抗體固定在電極上的方法可以為物理吸附或透過化學鍵結的固定方法，抗體被固定在電極上的位相也會影響到檢測，此外亦有可以將抗體包埋在高分子中再貼附於電極表面。

由生物辨識差異造成的電訊號改變可有不同的偵測型式，例如測量一定電壓下因為電化學反應所造成電流改變的安培測量法；測量電位或電荷累積的電位測量法；測量介質導電性的導電測量法及主要用於偵測電極表面電雙層的厚度或介電性質變化的阻抗測量法。此外，亦有利用場域電晶體或壓電效應進行偵測的測量方式等。其中阻抗式的生物感應器可以結合酵素或奈米粒子等標記進行偵測，也可以是無標記式(label-free)的檢測方式，其優點在於靈敏度高且易與微陣列或微處理系統整合，故在近年受到相當大的注意。

近幾年電化學生物感測器在健康照護上的發展趨勢不外乎發展低成本的拋棄式檢測器或發展成定點照護系統，甚至結合手機等行動裝置增加其檢測的普及性及資料傳輸能力。在拋棄式的檢測器上，我們以瑞典的Anthony Turner教授所開發的全拋棄式印刷電化學生物感測器為例 ，他們所開發的拋棄式電化學生物感測器將電極線路以網版印刷 的方式建構在聚對苯二甲酸乙二酯（polyethylene terephthalate， PET）基板上，此卡片型檢測儀包含印刷式電池、天線、檢測用電極及啟動鈕，並整合顯示板及兩組處理器。印刷式的二氧化錳電池可提供三伏特的電壓供檢測及顯示板所需電力，可在不需外加電源的環境下進行檢測，Turner教授認為這樣印刷式的電化學生物感測器成本相對低廉，適合用來製備一次性的檢測產品，以符合未來龐大的快速檢測需求，這樣的拋棄式印刷感測器已成為瑞典Acreo 這家公司的產品之一。

為了更落實行動健康的理念，並讓健康管理更為即時與普及化，許多人開始將定點檢測技術或生物感測器與行動裝置做結合，結合方式大致上有兩種，第一種方式是直接將電化學生物感測器用的技術與模組整合至智慧型手機或穿戴式裝置中，例如美國加州大學的研究人員便設計了一組具有三種測量模式的電化學測量模組並利用Google’s Project Ara 模組化智慧型手機做測試，可成功的進行血糖、汗水中酸鹼度檢測及疾病相關蛋白質的檢測。

另一種與手機結合的方式則是另外設計一個可與手機連結的電化學偵測器，考量已開發國家及許多發展中國家能負擔的起的手機規格不同，這種通用型的行動檢測器有助於普及於資源較有限的地區與民眾，已有研究人員開發了這一類可與手機連結的通用型生物檢測器，成本僅約25美元，並證實其在血糖、重金屬與瘧疾抗原偵測上的可行性。

隨著健康管理的需求越來越多元，電化學式的生物感測器在臨床檢測或定點照護檢測的應用將更為廣泛，加上通訊裝置的普及，快速的檢測與即時的資訊連結將會是未來健康管理中重要的一環。

出處與延伸閱讀

1.      Printed Electrochemical Instruments for Biosensors

Beni V., Nilsson D., Arven P., Norberg P., Gustafsson G., and Turner A. P. F., ECS Journal of Solid State Science and Technology (2015), 4 (10) S3001-S3005.

2. A Multi-Technique Reconfigurable Electrochemical Biosensor: Enabling Personal Health Monitoring in Mobile Devices

Sun A., Venkatesh A.G., Hall D.A. IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL CIRCUITS AND SYSTEMS (2016), VOL. 10, NO. 5.