【超快雷射頂尖技術】石墨烯打造高性能生醫核酸檢測晶片
110年01月08日
【本報導由機電工程學系 張天立教授研究團隊提供】 本研究為將少許的核酸(Nucelic acid)片段，進行放大核酸數量以達到晶片診斷目標，會透過快速熱循環晶片元件(Rapid thermal cycling, RTC)，以聚合酶鏈反應(Polymerase chain reaction, PCR)機制，在精確的溫度調控於體外進行DNA增幅(Amplification)。在此，本研究利用超快雷射製程於石墨烯薄膜製作PCR結構元件，透過可編程式的控制於偵測的BKV病毒(VP1類)標的，以完成微量DNA片段(354 bp)增幅。 自2020年開始新型冠狀病毒(COVID-19，新冠肺炎)擴散全球，在死亡數不斷攀升的情況下，世界各國家都提出防疫政策，以能阻止疫情蔓延。針對COVID-19新型冠狀病毒檢測方式，是採以即時定量聚合酶連鎖反應(Quantitative real-time PCR)於病毒核酸篩檢(Nucleic acid testing, NAT)，以能偵測疑似病例檢體中是否有病毒基因存在，其PCR技術在1983年已由Kary Mullis開發(1993年獲得諾貝爾化學獎)，目前仍為現代生物技術過程和生物識別的不可或缺的工具。 PCR是利用脫氧核糖核酸(DNA)複製的原理(DNA為雙股核酸長鏈)，在生物體外複製特定DNA片段之核酸合成技術，以高精確度的溫度調控於短時間內大量增加該數量，達成DNA增幅(Amplification)之目的，以提高較微量病例檢體的偵測能力。以往傳統大型機臺需要將核酸檢體增幅後再進行偵測，而現今生醫偵測晶片邁向輕巧及可攜式為趨勢，為有機會能實現居家自我監護與重點照護檢驗，在開發高性能核酸檢測晶片技術是為迫切與重要的目標。 張天立教授研究團隊自2015年已發表多篇亮點研究於國際頂級期刊Applied Surface Science [SCIE IF=3.150, Rank: 1/18 =6%, Q1, 2015-JCR]，包含先進脈衝雷射製程於石墨烯薄膜材料之探討，與進行生物分子電性偵測元件的製作及應用，所著作的學術研究深具前瞻及關鍵指標。有鑑於研究能量累積，進而深入探討超快雷射製作石墨烯元件於核酸檢測晶片的開發。超快雷射製程（1）因其脈衝寬度極短且瞬間光能量密度極高之特性，會易於材料移除；（2）熱影響區小、加工尺寸精密等優點。因此，本研究以此雷射製程製作石墨烯薄膜之熱循環晶片元件於DNA增幅應用，如圖1所示。同時本研究利用該雷射機制，提供焦耳熱和親水性表面特徵於元件技術，經可編程式的控制於偵測的BKV病毒(VP1類)，以提高PCR結構元件效率是具創新。 關於PCR生醫檢測晶片成果，張教授研究團隊已將於2019年12月發表在該領域之國際頂尖高影響值期刊(Journal with a high impact factor)，其刊登的期刊為Biosensors and Bioelectronics (SCIE IF=10.257, Rank: 1/86 =1%, Q1, 2019-JCR)。本研究提出與證明以超快雷射製程製作PCR石墨烯薄膜元件之平臺技術，其在PCR機制之各階段熱循環具熱穩定，將有助於完成微量檢體於DNA增幅，進而達成偵測晶片應用之開發與產品實現。 圖1：超快雷射製作石墨烯元件於核酸檢測晶片之開發說明