本院物理研究所陳啟東研究員團隊研發「矽奈米線場效應電晶體」先進技術,助國家生技研究園區進駐業者打造全球首款新冠病毒快速檢測晶片系統,單次樣本檢測只需3分鐘!該儀器甫於去(2021)年12月底通過食品藥物管理署緊急使用授權(EUA)核准製造,適合佈署於機場、人潮較多的檢驗站,為第一線防疫人員添上一大利器。本院院周美吟副院長表示,此研發技術為本院回應疫情迫切需求,善盡社會關鍵責任,推動任務導向研究之具體成果。

從左至右:國家實驗研究院臺灣儀器科技研究中心楊燿州主任、高雄榮民總醫院陳垚生副院長、本院物理研究所陳啟東研究員、矽基分子電測褚家容執行長、科技部生命科學研究發展司陳鴻震司長、本院周美吟副院長、國家實驗研究院林博文院長

新冠篩檢目前普遍採用聚合酶連鎖反應(PCR)核酸檢測,需透過螢光標識且耗時較久,且受限於光學解析度,若檢體中的病毒等致病因子含量太少時,便無法透過光學訊號判讀。陳啟東表示,此晶片系統所使用的核心技術「矽奈米線場效應電晶體」(silicon nanowire field-effect transistor,簡稱SiNW-FET),是一種半導體技術應用,以電流訊號檢測,具快速、即時、高靈敏度等特性。

此技術同時也結合分子檢測方法,將可辨識新冠病毒核酸的生物探針分子(probe)固定於SiNW-FET晶片上。當晶片偵測到檢體內含有新冠病毒核酸序列,電流訊號會上升,進而得知檢體含有新冠病毒。單次樣本檢測只需3分鐘,完整檢測包含檢體、陰性樣本、陽性樣本對照,以及人員作業時間,可於20分鐘內取得檢驗結果。

陳啟東說明,相較於PCR以光學設備進行驗證;SiNW-FET直接以電訊號檢測,利用待測物(如蛋白質、DNA等)本身的帶電特性,偵測電荷分布的改變,故能擺脫光學侷限,快速、準確測出微量分子,大幅縮短檢測時間。

晶片製程研發 超過十年心血

矽奈米線場效應電晶體近年來廣泛使用於生醫感測元件上。然而,如何整合元件並建立一套生物感測系統是一大挑戰。陳啟東對此鑽研已超過十年,從一開始在實驗室及無塵室設計和製作SiNW-FET,後來再請半導體廠代工晶片製程。

「初期的實驗失敗率很高,」陳啟東回憶,半導體場效元件有不同的製程,較常見的是金屬氧化物半導體場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET),而他所研發的矽奈米線場效應電晶體則不含金屬閘極,很難控制暴露於外的矽通道表面之材料性質,屢屢受挫。這十幾年來,他不斷研究測試各種形式的SiNW-FET並優化製程,以提高感測元件的性能與穩定性,迄今已研發出兩項專利,並已技轉給廠商。

跨域合作 投入新冠病毒快速檢測研發

本次新冠病毒晶片檢測系統整合「半導體製程技術」與「生物科技」等兩大領域,獲本院技轉的矽基分子電測科技股份有限公司(Molsentech),其核心成員來自陳啟東研究團隊,且為國家生技研究園區進駐廠商,致力於半導體生醫晶片即時檢測的開發與應用。原鎖定急性腎衰竭、口腔癌等特定病症,後來因新冠疫情爆發,遂投入新冠病毒快速檢測研發,由本院陳啟東研究員提供技術協助,國家實驗研究院臺灣儀器科技研究中心進行安規前期驗證,高雄榮總執行臨床測試,攜手為臺灣與全球防疫貢獻心力。

矽奈米線場效應電晶體分子感測器的研究獲本院及科技部補助,並與臺北科技大學蔡麗珠教授團隊合作,歷年來已發表多篇論文,近期一篇於去(2021)年刊登在國際期刊Journal of
Materials Chemistry CJMCC),標題為:《A dual function electro-optical silicon-field-effect transistor molecular sensor》,論文連結:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/tc/d1tc03374c

核心技術:以矽奈米線場效應電晶體作為檢測元件

以SiNW-FET作為DNA分子反應的檢測