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機械工業雜誌

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半導體感測器於精準疾病篩檢之應用

作者 黃紫郁鄒德昱李品瑤褚家容

刊登日期:2025/09/01

摘要

本文探討半導體感測技術在精準疾病篩檢的重要發展,聚焦於生物場效電晶體與微流體晶片的整合應用。文中介紹三種主要生物場效電晶體技術:離子敏感型場效電晶體、石墨烯場效電晶體及矽奈米線場效電晶體,分析其檢測原理與產業應用實例。同時探討微流體晶片透過流體控制與結構設計實現自動化檢體前處理的關鍵作用。生物場效電晶體與微流體技術整合後,可滿足定點照護檢驗對快速、靈敏、操作簡便的核心需求,為精準醫療提供創新解決方案,在傳染病快速檢測、早期疾病篩檢及個人化醫療方面展現巨大潛力。

Abstract

This article explores the important development of semiconductor sensing technology in precision disease screening, focusing on the integration of biofield-effect transistors and microfluidic chips. The article introduces three major biofield-effect transistor technologies: ion-sensitive field-effect transistors, graphene field-effect transistors, and silicon nanowire field-effect transistors, and analyzes their detection principles and industrial applications. Meanwhile, the key role of the microfluidic wafer in realizing automated inspection pre-processing through fluidic control and structural design will be discussed. The integration of biofield-effect transistors and microfluidic technology can satisfy the core needs of rapid, sensitive, and easy-to-operate point-of-care testing, providing an innovative solution for precision medicine and demonstrating great potential in the rapid detection of infectious diseases, early disease screening, and personalized medicine.

前言

隨著醫療技術的快速發展,精準醫療與即時診斷已成為現代醫療體系的核心需求。傳統的生物檢測方法往往需要複雜的前處理程序、專業的實驗室環境以及長時間的檢測流程,並且需要專業醫療人員操作檢測,難以滿足臨床急診、基層醫療及居家照護的即時診斷需求。特別是在傳染病爆發期間,如嚴重特殊傳染性肺炎 (Coronavirus disease 2019,COVID-19) 疫情所凸顯的醫療體系壓力,更凸顯了快速、準確且便攜式檢測技術的重要性。半導體生物晶片技術的興起為上述挑戰提供了創新解決方案。這項技術融合了先進半導體製程工藝與生物感測技術,充分運用半導體產業在微型化、高精度製程及大量生產方面的技術優勢。生物場效電晶體 (biosensor field-effect transistor,Bio-FET) 作為此技術的核心代表,能夠在分子層級進行高靈敏度檢測,實現對去氧核醣核酸 (deoxyribonucleic acid,DNA) 序列、蛋白質分子或病原體的快速識別。然而,實際的生物檢體成分複雜,含有大量雜質與干擾物質,直接檢測往往產生誤判。微流體晶片技術的發展為此問題提供了有效解決方案,透過精密的流體控制與結構設計,能夠在微小尺度下實現檢體的自動化前處理與純化。本文將深入探討Bio-FET技術的三種主要類型及其技術特性,分析微流體晶片在檢體前處理中的關鍵作用,並闡述兩者整合後在定點照護檢驗 (point of care testing,POCT) 應用中的巨大潛力。
 

半導體生物晶片

半導體生物晶片是融合生物感測元件與先進半導體製程的尖端檢測技術,透過將生物分子識別能力與半導體元件的高靈敏度特性相結合,實現對生物資訊的精確檢測與分析。以Bio-FET為代表的半導體生物晶片技術,正帶領醫療診斷、生物技術研究及環境監測領域的創新發展。這些晶片充分運用半導體製造工藝的微型化優勢與高精度製程能力,能夠對基因序列、蛋白質分子或各類病原體進行快速、高靈敏度且具特異性的檢測,為現代生物檢測技術帶來革命性的突破。生物場效電晶體主要架構為半導體場效電晶體,但金屬閘極材料被替換為液態閘極 [1],搭配不同材料或奈米結構的感測通道,並在該通道上生長一層生物探針,當生物探針分子與目標生物分子結合時將會改變感測通道層的電性,量測電性變化便能得知感測物的資訊如是否有病原體等。以下將針對三種主要生物場效電晶體進行介紹。
 
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