黃榮山臺灣大學：應用力學研究所邱永山Chiou, Yong-ShanYong-ShanChiou2007-11-292018-06-292007-11-292018-06-292007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62406在現今社會，對於健康照顧及醫療保健是我們所關心的，促使人們投入大量心力在相關研究上。而生物感測器的發展帶動了醫療檢測的整體提升。其在檢測上的優點上有分析靈敏度及專一性高、分析速度快，以及所使用的檢測樣品及試劑體積較少。 前列腺癌號稱西方男性的前三大癌症殺手，前列腺癌亦是台灣前十大癌症的死因之ㄧ（2006）。而前列腺特異抗原（Prostate Specific Antigen）是檢測前列腺癌的一個腫瘤標記，其在臨床診斷上具有高價值性及判斷性。本研究所量測的前列腺特異抗原更可針對此一疾病作健康評估。 而壓阻式微懸臂梁感測器（Piezoresistive Microcantilever Beam），利用其免化學及螢光標定的檢測方法，當生物分子鍵結在微懸臂梁後，會造成表面應力及應變之改變，再利用惠斯同電橋（Wheatstone bridge circuit）精密量測方式配合後端電路的濾波放大而將電壓訊號讀出。此外我們亦可看出其相較於光學式微懸臂梁，更有檢測體積大大縮小的優點。 在本研究中，我們已利用微機電製程製作出壓阻式微懸臂梁生物感測器並對前列腺特異抗原做初步量測。此外，亦對溫度、離子濃度及藥品的空白實驗做檢測，希望使實驗訊號有更合理之解釋。Prostate cancer is becoming one of the top three major cancer killers for elderly men in the west, and it is also one of the ten major cancers reported of Taiwan in 2006. Prostate specific antigen (PSA) is found to be the most valuable tumor sign of prostate cancer. It has become the highest value of biomarkers in cancers. In this study, the piezoresistive microcantilever is required for operation in a phosphate buffered saline solution or human plasma which is to maintain a specific pH environment of a strong electrolyte. As a result, the device is required to be electrically insulated in solution environment. The selected silicon nitride is used to conform to the requirements for the insulting material. The cantilevers are designed in 150 or 200 μm long, 50 μm wide and about 1.4 μm thick. The integrated piezoresistive resistors are 100 μm long, 50 μm wide and 200 nm thick, and the expected resistance is approximately 4 kΩ. Meanwhile, the gold layer (30 nm thick) coated on the cantilever surface is necessary for chemical reaction of biolinker, and thus the sensing surface of specific protein adsorption and its associated recognition. In addition to the microcantilever device, several important issues need to be considered in height, length, width, and the total volume of the channel, as well as the flow field in the microchannel. In the micro-fluid system, the laminar flow is also required to reduce the noise from vibrations of the cantilever. The biosensor is wire bonded directly on the printed circuit board (PCB) with a height of 470μm, connected to the signal processing device on the PCB. Preliminary result of PSA detection was obtained by this piezoresistive microcantilever. The device is confirmed to be tested in solution environment and thus its preliminary feasibility. More testing is required for further verification in PSA detection.致謝 I 摘要 III Abstract IV 目錄 VI 圖目錄 X 表目錄 XIII 第一章 導論 1 1-1 前言 1 1-2 研究動機及目的 3 1-3 前列腺特異抗原與疾病介紹 5 1-3-1 前列腺與前列腺癌 5 1-3-2 前列腺癌發病統計 6 1-3-3 前列腺特異抗原檢測 8 1-3-4 前列腺癌治療方法 8 1-4 各種微懸臂梁感測器於前列腺蛋白之檢測 8 1-4-1 光學式微懸臂梁 8 1-4-2 壓電式微懸臂梁 9 1-4-3 壓阻式微懸臂梁 11 1-5 壓阻式微懸臂梁之發展背景 12 1-6 研究方法 14 1-7 論文架構 15 第二章 生物感測器之原理及機制 16 2-1 生物感測器的定義及工作原理 16 2-2 生物感測器之類型 16 2-3 生物分子辨識之形成要素 17 2-4 生物分子間之親和力作用 19 2-5 抗原與抗體之專一性鍵結 20 2-6 生物轉換機制 21 第三章 壓阻式微懸臂梁生物感測器之原理與設計 24 3-1 壓阻效應及材料特性 24 3-2 壓阻式微懸臂梁生物感測器之工作原理 26 3-3 壓阻式微懸臂梁之彎曲機制 28 3-4 惠斯同電橋電路之設計原理 29 3-5 微懸臂梁生物感測器之壓阻設計 31 3-5-1 壓阻材料之電阻考量 31 3-5-2 離子佈值製程 32 3-5-3 壓阻式微懸臂梁的補償性 33 3-6 微懸臂梁生物感測器之系統規格設計 33 第四章 免疫反應分析 35 4-1 免疫球蛋白 35 4-1-1 免疫球蛋白的種類 35 4-1-2 免疫球蛋白的通性 36 4-1-3 免疫球蛋白G的基本結構 37 4-1-4 前列腺特異抗原 39 4-2 抗體抗原的結構 40 4-3 免疫分析法 40 4-3-1 酵素免疫分析法 41 4-3-2 流動式生物感測分析 42 第五章 壓阻式微懸臂梁生物感測器之製作 44 5-1 壓阻式微懸臂梁之製作 44 5-1-1 微懸臂梁薄膜成長 44 5-1-2 定義壓阻位置 44 5-1-3 定義金屬導線位置 45 5-1-4 絕緣層（微懸臂梁薄膜）的成長 46 5-1-5 定義金電極櫬墊（pad）的位置 47 5-1-6 定義打線處的金電極櫬墊位置 48 5-1-7 定義微懸臂梁的懸浮位置 48 5-1-8 定義微懸臂梁上的金膜 49 5-1-9 濕蝕刻微懸臂梁 50 5-2 微流道底層之製作： 55 5-2-1 微流道底層晶圓薄膜成長 55 5-2-2 定義白金導線位置 55 5-2-3 定義金電極櫬墊（pad）的位置 55 5-2-4 定義微流道孔穴的位置 56 5-3 微流道上蓋-聚二甲基矽氧烷(PDMS)流道製作 57 5-3-1 微流道上蓋母模晶圓薄膜成長 57 5-3-2 定義微流道母模位置 57 5-4 微流道上蓋之翻模法 58 第六章 實驗結果與討論 59 6-1 實驗前準備 59 6-1-1 實驗晶片準備 59 6-1-2 量測端的準備 60 6-1-3 磷酸鹽(PBS)緩衝液及tris緩衝溶液之準備 61 6-2 溫度及溶劑對微懸臂梁的影響 61 6-3 磷酸鹽緩衝液對氮化矽的影響 68 6-4 封膠及組裝對流場的影響 69 6-5 前列腺特異抗原量測 71 6-5-1 實驗樣品之準備 71 6-5-2 BIA流動式生物感測操作步驟 71 6-5-3 前列腺特異抗原量測之結果討論 72 6-6 免疫球蛋白量測 74 6-6-1 實驗樣品之準備 74 6-6-2 BIA流動式生物感測操作步驟 75 6-6-3 免疫球蛋白量測之結果討論 76 6-7 免疫實驗樣品對微懸臂梁的影響（空白實驗） 77 6-7-1活化劑（EDC / NHS）的空白實驗 77 6-7-2 去活化劑（Ethanolamine）的空白實驗 78 第七章 結論與未來展望 81 7-1 結論 81 7-2 未來展望 81 參考文獻 834478865 bytesapplication/pdfen-US壓阻式微懸臂梁生物感測器惠斯同電橋前列腺特異抗原離子濃度Piezoresistive Microcantilever Beam BiosensorWheatstone bridge circuitProstate Specific AntigenIon concentration[SDGs]SDG3thesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62406/1/ntu-96-R94543014-1.pdf