首頁 > 物理與化學結合—液晶生化快篩技術
:::

物理與化學結合—液晶生化快篩技術

血糖機、酸鹼石蕊試紙、驗孕棒等都是生活中常見的生理檢測工具,然而這些工具僅能檢測一些簡易的項目,再透過「專業儀器」的處理才能得知結果。淡江大學研究團隊以「酶」為對象,並以「液晶」作顯示工具,成功發展出一種反應快速、判定容易的生化篩檢元件,期能大幅降低檢測的門檻與等待的時間。
 
 

若能把「液晶顯示」功能轉換至「液晶生化感測」應用,便可以快速、簡單地得到定性的檢測結果。(圖片來源:種子發)
▲若能把「液晶顯示」功能轉換至「液晶生化感測」應用,便可以快速、簡單地得到定性的檢測結果。(圖片來源:種子發)
血糖機、酸鹼石蕊試紙、驗孕棒等都是生活中常見的生理檢測工具,它們的設計原理只用到簡單的生物、化學理論,但使用方便,結果辨識也清楚明瞭。然而這些工具僅能檢測一些簡易的項目,絕大多數與人身健康相關的項目,仍需到醫療機構經由抽血、驗尿等方式,再透過「專業儀器」的處理才能得知結果,就成本與時間效益而言,都需付出相當的代價。但令人扼腕的是,有某些攸關健康的特定檢測因無法第一時間得知答案,而失卻了治療的先機。

 

「酶」(酵素)是一種大分子生物催化劑,幾乎所有細胞內的代謝過程都與它有關;而各種疾病,甚至是毒物作用,也與「酶」的生物化學反應相關。淡江大學物理系莊程豪教授與化學系陳志欣教授著眼於此,攜手跨界合作,以「酶」為對象,並以「液晶」作顯示工具,成功發展出一種反應快速、判定容易的生化篩檢元件,期能大幅降低檢測的門檻與等待的時間。

 

陳教授謙虛地表示,在化工領域裡,「液晶」一向應用於顯示器,他們之所以有把「液晶顯示」功能轉換至「液晶生化感測」應用的想法,其實是受到美國威斯康辛大學Nicholas L. Abbott教授的啟發,因而決定建立研究團隊對這議題做更深一層的探討。

特定的「蛋白質」分別與「酶」(a)無接觸和(b)有接觸時的示意圖及觀察到的實驗基板影像。「蛋白質」與「酶」接觸後的反應產物會改變液晶分子的排列情況,進而影響來自下方光線能穿透實驗基板形成白亮的影像。
▲特定的「蛋白質」分別與「酶」(a)無接觸和(b)有接觸時的示意圖及觀察到的實驗基板影像。「蛋白質」與「酶」接觸後的反應產物會改變液晶分子的排列情況,進而影響來自下方光線能穿透實驗基板形成白亮的影像。
兩位老師的研究先從「應用面」著手,他們設計了一種微型、可透光的檢測基板,先把某種特定的「蛋白質」附著在金質網格壁面上,並把「液晶」分子整齊地排列在網格中。液晶分子原本處於一種整齊、規律的「直立」狀態,使得來自底部的線偏振光線不易穿透基板上方的垂直線偏振片,因此網格影像是呈現黑色的。

 

當含有某種特定「酶」的水溶液浸入了檢測基板,格壁上的「蛋白質」便與「酶」發生「水解反應」,並碎化成小片段的胜肽。這些小碎片會弄亂了原本排列整齊的液晶分子,源自下方的線偏振光線因受到液晶分子轉動的影響,便改變了線偏振方向,實驗者就可以在基板上方發現亮光。

 

這是一種把「化學反應」訊號直接轉換成液晶顯示訊號的機制;如此一來,許多與「酶」相關的生物化學反應便可以透過適當的設計,快速、簡單地得到定性的檢測結果,並用肉眼判讀即可,擺脫了往昔對「精密儀器」的依賴。

 

在化學應用實驗上獲得完好的成果後,莊教授更進一步利用同步輻射光源的「掃描式光電子能譜顯微儀」,觀察、分析在「微觀界面物理」上整個反應的前因後果。研究團隊成功取得了以「碳」原子為觀察標的,各種分子鍵結變化的證據,並透過表面「金」原子的訊號變化,找出「蛋白質」與「酶」間的反應程度。而這一系列完整的微物理描述,又成為陳教授在設計各種快篩目標物時的重要參考。

 

「物理」與「化學」雖各是獨立的基礎科學領域,但可以視為不平行的兩條線。莊教授與陳教授的「跨界合作」,從末端的化學應用,一路向上追溯到源頭的機制驗證,做出了一套完整、嚴謹的科學研究。這個成果不僅為各類型「快篩」應用開啟了一條新的道路,更為日後「液晶」的應用指出了一個新的方向。

 
來源:
推薦文章