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感測器/MEMS  

運用晶片上實驗室進行DNA分析鑑定

上網時間: 2007年09月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:晶片上DNA  lab-on-chip  MEMS 

在微生物樣本快速分析的儀器中,可實現晶片上DNA(lab-on-chip)實驗室的微機電系統,或稱MEMS技術,正扮演越來越重要的角色。系統的晶片上實驗室組件整合了電子、機械和生物單元,並採用微流體技術來改善鑑定速度、便利性,並實現了重要臨床診斷的經濟性。

由於採用IC技術,MEMS技術具有非常大吸引力,這種技術可利用精確控制的製程,實現大量平行且精確的重複生產;這種製程技術與生產矽晶片的技術是相同的。事實上,今天用於系統的微電子技術,已經能在單一晶片上整合包含機械感測器和介面電路的整個系統。

意法半導體(ST)公司採用MEMS技術開發元件,以比較DNA樣本、發現病原體,並能快速、簡單且低成本地進行其他臨床診斷。這種技術同時適用於其他領域中的多種應用,包括獸醫、食品控制和生化防禦。而目前,這類分析只能在分子生物實驗室和診斷中心進行,實現成本很高,且需要大量的設備。

這種新方法的核心是基於MEMS的即用即丟型盒子(cartridge),可作為晶片上DNA實驗室。這種稱為In-Check的盒子使用最初為噴墨印表機開發的微流體技術,內含一系列置於矽晶片中的微反應室。在分析期間,通道被一種未知的DNA樣本和DNA引子(primer)所填充,它透過一種稱為聚合鏈反應(PCR)的製程使樣本生長,或‘放大’到一個可以使用的數量。PCR製程能從一個包含少量DNA片段的小樣本開始,將片段複製成數百萬個相同的片段。與現在的方法相較,這種方法具有非常大的優勢,現在的方法通常需要很大的樣本數,而採集和擷取大型樣本量需要很高的成本。

對於PCR製程來說,重點是利用內建在矽晶片中的電子加熱單元,它對通道加熱,在三個精確的溫度之間對DNA混合物進行循環加熱。然後,放大的DNA樣本被移交到生物晶片的檢測區,它包括已知且可能匹配的DNA片段。透過用一個雷射燈照射電極可發現DNA的匹配,並觀察到它們發出螢光。(為進一步使製程自動化,還重新評估了電化學機制,而非光檢測機制)。可攜式光讀取器連接到一台電腦,在幾秒內就能分析出微陣列(幾個獨特DNA序列的微型化陣列)。

每次測試都使用同一晶片,這種測試的執行時間通常不到一小時,由於ST的In-Check平台使用一種微型陣列,每個測試可以評估多個不同的DNA片段,因此具有高度的可複製測試結果。桌面溫度控制系統可支援最多5個盒子。In-Check的靈敏度取決於應用、DNA片段的長度以及樣本準備方法。

所有的化學反應都在生物晶片上產生,由於裝載它的盒子是一次性使用的,因此與傳統儀器相較,這種方法較不易出現交叉感染的風險。同樣,由於系統使用非常少的高成本化學試劑,因此其成本並較低。除了晶片裝載的盒子,系統還採用了一套儀器,其中包括控制器和指導作業人員通過幾個關鍵步驟的閱讀器。

就測試結果的精密度和速度來說,與傳統的診斷方法相較,生物晶片表現出了極大優勢。利用生物晶片,只需幾分鐘就可以得到結果,而非幾個小時甚至數天,而某些時候,傳統的病毒培育方法可能需要大約一周的時間才能獲得有用的結果。生物晶片可達到的精密度也比傳統方法高,對醫藥應用來說,將能讓醫生即時開立處方,並進行精確治療。就抑制疾病傳播來說,其意義更加重大。

以Mobidiag公司所開發的診斷設備為例,這種新型的晶片上實驗室執行在ST的In-Check平台上,可針對敗血症引起的病毒進行基於DNA的檢測。In-Check平台利用病原體載板來識別十種敗血症引起的病原體,以及來自陽性血液培養樣本、對甲氧苯青霉素(methicillin)具有抗藥性的金黃色葡萄球菌菌珠。診斷載板或化驗報告可被用於最佳化抗生素治療,並結合革蘭氏染色法的結果,革蘭氏染色法是一種根據經驗比較法則來區分病毒種類的方法。這樣一來,高準確性和快速的結果將減少抗生素的濫用風險,幫助醫生盡早選擇正確的治療方式。目前正在進行臨床實驗,而包括經認證的控制、化驗最佳化和診斷報告軟體等將陸續發佈。

在此同時,ST也與Veredus實驗室合作開發快速的需求點診斷功能,將使衛生工作者快速發現禽流感病毒類別以及其他的流感類別。Veredus正在使用ST的IN-Check平台開發一種專用於辨別一個病人是感染了H5N1禽流感病毒,或是A或B型流感,且只需要一項測試,而不像目前使用的方法般,需要若干次測試。

作者:Stefano Lo Priore

MEMS業務部門

ST公司




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