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2021-01-28
【超快雷射頂尖技術】石墨烯打造高性能生醫核酸檢測晶片
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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

【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。

原文出處:研究發展處研究亮點網

原始連結:https://rh.acad.ntnu.edu.tw/tw/article/content/66

張天立 教授 | 機電工程學系張天立教授於2006年取得國立臺灣大學機械工程博士學位,並在工業技術研究院機械與系統所擔任研究員。2011年獲聘國立臺灣師範大學機電工程學系,經任助教授(2011.02~2014.01)、副教授(2014.02~2017.01)及教授(2017.02迄今)。張教授研究專長為超快雷射材料、微機械力學、奈微米結構/元件設計、製造及系統整合,致力於生醫檢測及能源應用之研究工作。

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