生醫檢測的微技術
92/11/10
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曾繁根｜
清華大學微機電系統工程研究所
柳克強｜
清華大學工程與系統科學研究所
黃海美｜
清華大學生命科學研究所
錢景常｜
清華大學工程與系統科學研究所
潘力誠｜
臺北醫學大學醫學系
一個微縮的實驗室
生醫晶片可以為DNA的定序、人類各式疾病的檢驗、新藥的篩檢及開發、藥物的定量釋放控制，以及食物、環境檢測等提供一個快速、精確、大量且自動化的操作平臺。因此，使用生醫晶片，可以完成傳統生醫檢測上所無法達成的目標。例如目前的癌症檢測方式，往往需要等到病人有相當程度的症狀，甚至病入膏肓時，才能夠檢測出來；然而利用生醫晶片的技術，可幫助醫生在短短數分鐘內，檢測出初期的各種癌症，更可進一步了解病人的癌症遺傳因子，以作先期的防範。
又例如當前對臺灣造成極大威脅的各式傳染疾病，如腸病毒等的檢驗，若使用傳統檢測技術，往往需要四至七天以上才可判斷，這時候病人或許已經痊癒或早已死亡了，無法在第一時間內有效地偵測並診斷；利用生醫晶片提供的快速檢測技術，能夠迅速且正確地診斷病因。
既然生醫晶片有這麼大的本事，可達成許許多多不可能的任務，那麼生醫晶片是如何達成這些任務的呢？它有哪些優勢，以及可能面臨的挑戰又如何呢？基本上，生醫晶片是一種微小化的實驗裝置，用以取代使用培養皿、試管、離心機等所費不貲，且曠日費時的傳統生醫檢體檢驗方式。因此，生醫晶片所涉及的領域，包括生物醫學、奈微流體系統、化學、材料、電子、機械、光學等學科。
希望達成的三個目標
直接取自人體的生醫檢體，如血液、組織或體液等，如果所含的待檢成分並不存在於外部的液體中時，就無法直接檢驗出來，必須將檢體加以處理並分離出待檢物，才可以進行檢測。因此，檢體處理與分離的自動化，是生醫檢測技術提升的首要目標。例如細胞內的DNA或蛋白質的檢驗，須先行將細胞破碎，取出胞內物質，再將所需檢測的目標分離、純化以利檢測。若採傳統方法，從細胞破碎分離至檢體純化，所使用的儀器設備不但占空間，需要的操作人力也相當可觀。生醫晶片則採完全自動化的操作方式，可節省大量的檢體處理空間與人力。
由於生醫檢測是靠擴散與隨機碰撞來達成生醫反應，因此往往需經數小時至數日才能完成某一種檢測，對於需要多種檢測交叉比對的生醫反應，處理過程就相當費時，又因為是由人來操作，不易精確定量。生醫晶片能精確定量，且可同時平行處理大量檢體，因此能大幅縮短檢測時間。此外，藉著外力或微流體系統的幫助，生醫反應的速率可增加數倍至數百倍以上，因此使得傳統上曠日費時的生醫檢體處理與反應時程得以大幅縮短。
當檢體體積減少，反應面積與檢體體積的比率相對增加，檢體的反應速率可以加快。且生醫晶片使用的檢體量甚少，對於昂貴或微量的生醫檢體，利用生醫晶片檢測，可以以較少的量獲得相同的檢測結果，故可減少檢測成本及檢體用量，發揮生醫反應的微量檢測功能。一旦待檢物含量過低時，可採用微量的檢測技術，如光學干涉及表面電漿共振技術，或檢體放大技術，如DNA聚合酶鏈鎖反應技術，此種技術可將數量極少的DNA放大數十至數百萬倍，能夠大幅增加檢測靈敏度。
從上述開發晶片的目的來看，生醫晶片有朝一日必能將傳統大型的生醫實驗室的功能，包括從試樣準備到生醫反應檢測，縮小集中在一個晶片上。其所能達成的檢測成果，不但在定量上優於傳統方式，在速度及精確度上也頗占優勢。是以此類晶片也稱為實驗室晶片（lab on a chip, LOC）或微全分析系統 （micro total analysis system, μTAS）。
生醫晶片所面臨的挑戰
生醫晶片具有可做微量檢測、定量精確、自動化操作及快速平行處理等諸多優點，相對於傳統的生醫檢測而言，占有極大的優勢，並且到目前為止，也已有不少突破性的技術發展。但不可諱言，生醫晶片也面臨著許多技術上的挑戰，需要由不同領域的科學家來克服。
由於生醫晶片的設計與製造是跨領域的工程，涉及的層面包含微流體系統的運作、生醫反應與光電訊號檢測等，與許多傳統工程領域注重高度的專業分工大為不同。除專業上的要求外，生醫晶片的設計與製造，非常注重跨領域的技術背景及溝通整合能力。
晶片的設計往往須由系統或封裝的層面開始逆向思考，團隊中除有每個領域的專家外，領域之間是否能充分地橫向溝通，並共同解決相互衍生出來的問題，往往是晶片設計與製造成敗的關鍵。因此有別於傳統工程技術的訓練要求，反而是能橫跨微機電系統、微流體系統、生醫科技及光電技術等領域的跨領域人才，在生醫晶片的開發上顯得極為重要。
當使用的檢體量減少時，隨即面臨偵檢訊號大幅減弱的問題。增加訊號強度或提升感測裝置的靈敏度，是解決上述問題的兩種方式。在增加訊號強度方面，目前有使用人工方式複製生醫分子，以增加檢體的份量，例如聚合酉每鏈鎖反應技術；對於無法利用人工方式增量的分子，則增加其標誌物的標誌量或靈敏度，或將分子集中於檢測區域以利檢測。在提升感測裝置靈敏度方面，除靠減少背景雜訊外，更靈敏的新式感測技術亦是發展的重點。
系統操作的難易程度，不但涉及系統是否易於設計與製造，也牽涉到製造的成本。面對價格合理化，操作普及化的市場壓力，如何在維持既有功能下使用較為簡單的設計與製程，是促使生醫晶片的價格與操作符合市場需求的不二法門。
生醫晶片系統包括了微流體、生物醫學及積體電路等三種以上的次系統，而這些技術所使用的材料與製程，以及操作和保存等特性盡皆不同。因此，如何協調系統之間的製程順序，融合材料間的不同特性，就成了晶片中次系統間能否相容，優先要解決的問題。
而生醫檢測或試驗，一旦牽涉到醫療行為時，可靠度就格外重要。由於生醫晶片的發展為時尚短，仍需累積大量的數據，方可確立系統的可靠度。因此資料庫的建立，是晶片系統本身發展之外，另一項重要的工作。
研發中的實例
生醫晶片涵蓋的領域包羅萬象，非本文能一一詳加介紹。因此以下只以介紹國立清華大學工科系在近三年內發展出來，在生物技術、生醫微機電系統以及奈微流體系統領域中，相關的初步研究成果為主。藉由針對蛋白質微陣列晶片、陣列式微血液感測晶片、微液珠產生系統及組織檢測晶片等的改良研發的實際案例，說明以上各系統的基本原理、實際應用以及系統整合時的問題，以便讀者能對生醫晶片有更為具體的了解。
在奈微流體定量技術方面，蛋白質微陣列晶片、陣列式微血液感測晶片、以及微液珠產生系統，分別採用了接觸壓印微陣列定量法、表面張力微流道定量法、以及微液珠噴射定量法等三種不同的奈微流體定量技術。
在生醫微量感測技術方面，蛋白質微陣列晶片使用螢光定量技術，陣列式微血液感測晶片則使用電化學感測方式，而組織檢測晶片則使用聲波檢測方式。
在生醫微機電系統的系統整合部分，蛋白質微陣列晶片，整合了高分子微系統製程、微流體、微生醫免疫反應與光學檢測等四項跨領域技術；而陣列式微血液感測晶片，則整合了矽基微系統製程、積體電路製程、微流體、酵素反應、電化學檢測等五項跨領域技術。透過對此二晶片系統的實例說明，讀者應可獲得一些生醫晶片跨領域研究的基礎概念。
蛋白質微陣列晶片
從人類基因解碼完成之後，如何從龐大如天文數字的資訊中，迅速獲得與人類生、老、病、死有關的資訊，以增進人類生活福祉，是許多科學家積極努力的目標。微陣列晶片可將成千上萬不同的生醫檢體，固定在微小的晶片上，並可同時、平行、大量且快速地完成檢測工作，大大縮短了檢測的時間。
此外，在醫學臨床的檢驗，新藥分析研發，以及對於環境生態的持續監測，都面臨到需要能夠同時平行且迅速檢驗眾多生物檢體或是化學合成物的挑戰。在這些生物檢測中，由於樣品及試藥取得不易，或是價格昂貴，微量且批次的檢測技術，也就成為歐美日等先進國家重要的發展方向，微陣列技術的應用也就成為下一代生醫檢驗和發現新藥的重要方法。
雖然DNA的檢測，可獲得與遺傳疾病相關的資訊，但大部分疾病的判斷，往往須從蛋白質的表現上來決定。因此蛋白質微陣列檢測技術，必將成為生醫技術未來重要的發展方向之一。
傳統的微陣列技術是將數個微小針頭裝置在機械手臂下，並控制其在試片上將生醫檢體布成陣列。此一技術目前已廣泛應用於DNA微陣列晶片的製作，但對於蛋白質微陣列，則尚有諸多挑戰有待克服，例如：採依序打點，而非平行打點，處理一組含一萬個檢驗點的試片約需一小時，處理42個試片需30小時左右，蛋白質面臨不易保存的問題；布陣機臺使用價格昂貴的精密定位系統，非一般實驗室所能負擔；針頭須經清洗後才能再使用，不但浪費檢體，且易造成檢體間的相互污染。
鑑於以上諸多的困擾，我們發展出一種能單獨由背後填充，正面平行壓印的蛋白質微陣列晶片系統。此一系統利用表面張力原理，將滴入的蛋白質檢體，藉由精確設計的微流通道，靠表面張力的自然作用，送入每一垂直的微壓印頭中。不同種類的蛋白質，可經由此一作用，暫時儲存在每一蛋白質的微流室中，以待往後平行壓印成微陣列的動作。
蛋白質微陣列的檢測過程 將上述填充完的蛋白質印章與生醫反應晶片作輕微接觸後，表面張力即可將蛋白質檢體同時並定量地壓印在反應晶片上，以成為蛋白質微陣列晶片。此過程只需數分鐘時間，且檢體間不相互接觸，因此不會產生交互污染的問題。蛋白質檢體的檢測，是先讓抗體與蛋白質之間產生反應，並透過螢光方式檢測，採用此法能精確定量並可平行大量地分析檢體。
此一晶片系統使用批次製造的三維高分子微加工製品，成本低廉，因此晶片可用過即丟。每一次填充的檢體可連續打印上千片相同的生醫晶片，而每一壓印點大小、亮度均勻度的誤差皆小於10％，生醫檢體可充分運用不致浪費。因此，此陣列系統可運用於臨床檢測，藥物篩檢以及環境或傳染疾病監控等。
陣列式微血液感測晶片
使用晶片系統量測與分析血液中的各種成分，已成為現代血液分析的新趨勢。只需將少量的血液滴入晶片系統中，它的微流體系統可自動將血液輸送至不同的微反應室，與不同的檢測劑混合而產生反應，其訊號可快速地檢測出來。相較於傳統的血液檢測方式，晶片系統具有的優勢，包含使用微量的檢體、可快速感測、自動化、高檢測通量及可隨身攜帶等優點。在多種不同的血液檢測方式中，酵素檢測法因其對目標物具高度的選擇性，以及其可靠的檢測結果，已廣泛地用來檢測血液中如血糖、尿酸及膽固醇等各種成分。
在傳統的檢測方法中，血液與酵素間的反應，不是在當場將二者直接混合反應，就是徒手將酵素滴放在電極上，等血液取樣之後與其反應。這種檢驗方式不但限制了高通量的晶片製造與分析，更有酵素定量不精確、交互污染、增加系統體積及複雜度等諸多問題存在。因此如何快速、大量地將酵素精確定量於感測晶片上，同時使用簡單的驅動方式使微血液檢測系統運作順暢，是此等晶片設計的主要目標。
為解決以上的問題，達到定量、批次酵素含量固定，以及血液中的不同成分能同時微量檢測等目的，我們的實驗室發展出一套微血液感測晶片，能夠快速且定量地將不同的酵素布植在微感測器上，並利用表面張力作用，將血液由特殊設計的微流道自動導入各檢測平臺，完成平行檢測程序。
陣列式微血液感測晶片的操作原理 我們開發出來的陣列式微血液感測晶片，包含一酵素固定晶片及一血液輸送晶片。酵素固定晶片是利用Ｈ型微流道大批次且定量地將酵素固定在垂直通道中，不同的H型通道可分別用來定量與定位不同的酵素。Ｈ型通道內壁已事先加以處理，使其成為親水性，因此在填充過程中，流體可填入每一垂直通道並停在通道底部；在流體抽取過程中，多餘流體可被完全抽離，僅剩下定量的酵素檢體存在於每一垂直通道中。使用此法，可將不同類型的酵素精確定量地安放在設計好的位置上，以取代使用滴管將酵素檢體一一放入不同位置，既費時又無法精確定量的傳統方式。
經由如此精確定量的酵素晶片可以和血液輸送晶片接合，然後將晶片縱向切開，即可獲得各種不同功能的血液檢測晶片；血液可由晶片上端輸入，藉由表面張力的作用，可將血液帶入微通道中，與不同的檢體同時平行反應，因此可快速且同時獲得各種檢測訊號。由於此一檢測方式，是利用酵素將血液中葡萄糖氧化後，經由電壓的作用使反應產物放出電流，因而藉由電流的量測也可獲得葡萄糖濃度的大小。此晶片系統完全不需使用外力來驅動流體，因此構造簡單且可靠性佳，可供臨床檢測或居家護理應用。
微液珠噴射系統
微流體的定量方式，除前述兩種使用微壓印或微流道截流方式，以獲得定量的微量流體之外，使用液珠噴射亦是獲得微流體精確定量的另一種方法。控制良好的液珠噴射過程，幾乎可在每一液滴中，獲得均質且精確的液量。微型液珠的產生，必須以相當大的壓力來克服流體在微液系統中，所面臨的由於黏滯力及表面張力所帶來的阻力，又因為當液珠體積越小時，其所面臨的阻力遠較其慣性力為大，所以需要更大的壓力克服阻力產生液珠。
壓力產生的方式，有使用壓電致動、熱氣泡致動、靜電驅動、熱雙膜驅動、聚焦聲波驅動及慣性力驅動等方式。在這些驅動方式中，壓電方式及熱氣泡方式已廣泛使用於噴墨印表機之類的商品中，因此這項技術可以很容易地由市場中獲得。
熱氣泡液珠的產生方式，是使用微加熱線加熱液體，並在短時間內產生推力極大的氣泡將液體推出，形成微液滴。在生醫微液珠的定量中，液珠的完整與乾淨程度往往左右了定量的精確與否，然而傳統的熱氣泡液珠產生方式，會產生一連串的液珠，亦即除主液珠外，還有跟隨其後的衛星液珠，對於精確的定量有相當程度的影響。我們所發展的微液珠噴射系統，能在極短的時間內將長串的液珠剪斷，留下完整的主液珠，因此液珠定量精確，符合生醫檢體的液珠定量要求，此系統已被採用來製造疾病檢測及基因定序的DNA微陣列晶片。
組織檢測晶片
生醫的檢測方式，除使用螢光標示物來標明生醫反應，或以電化學方式偵測電流的改變等間接方法外，偵測生醫反應的物理特性變化是一種直接的檢測方法，它無需將生醫反應先行轉換為其他能供偵測的形式。物理特性如檢體的密度、黏滯特性及相變化等，皆可直接量測。例如，使用介質中傳遞的聲波，其波速會隨傳遞介質與生醫物質接觸而改變的特性，可即時感測生醫檢體間的鍵結或特性上的轉變。
以組織癒合度檢測晶片為例，它是利用石英為基材在特定方向上製作微電極，藉著電極靜電力的壓電作用，使聲波在石英介質中傳遞，當此石英片接觸細胞或組織時，細胞的附著、增生、甚至分化等作用皆可由聲波傳遞的速度改變而得之，且細胞或組織仍處於活體狀態，不受感測系統的影響。此一系統相當靈敏，理論上可偵測到小至數個細胞的增加。
未來生物科技發展的功臣
人類生、老、病、死的過程，都和細胞變化有關，而細胞變化的機轉，在在都受到DNA的左右，為了要一圓免於疾病、防止老化的夢想，舉世投入了相當可觀的人力物力，終於解開了人類DNA密碼之謎。然而病因的檢驗、正確的投藥、甚至是量身訂製的藥物，都仰賴快速、精確、簡易及廉價的檢驗技術。
傳統的檢驗方法，緩慢費時、精確度不易掌控且花費甚高，限制了生醫科學的快速發展；使用生醫微機電系統及微流體系統技術發展出來的生醫晶片，可為DNA的定序、疾病的檢驗、新藥的篩檢及開發、藥物的定量釋放，以及食物、環境檢測等，提供一個快速、精確、大量且自動化的操作平臺。相信將可為推動下一階段生物科技的發展，提供一定程度的貢獻。
