第一章 緒論
1.1 研究背景
第一章 緒論
1.1 研究背景
1.1.1 生物感測器簡介
根據國際純粹與應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC）的定義- ”A chemical sensor is a device that transforms chemical information, ranging from the concentration of a specific sample component to total composition analysis, into an analytically useful signal.”[1]，化學感測器（chemical sensors）是一種微小化的訊 號轉換器（transducer），能夠將化學訊息轉換成易量測的電子訊號；將同樣地概念延伸 至生物醫學的領域，即構成所謂的生物感測器（biosensor），是一種能夠將生物訊息轉 換成電子訊號的裝置，基本架構如圖1.1.1；在生物體上原本就存在特定的受體（acceptor），
用來接收特定的生物分子，也就是圖中的檢測物；當生物受體與檢測物結合，有可能產 生離子、電子、熱或氣體等各式各樣的感應產物，利用轉換器可將這些感應產物轉換成 電子訊號，並經過適當的訊號處理之後，即可從生物體上得到想要的訊息。而根據轉換 器的不同，可將生物感測器分為：電化學生物感測器（Eletrochemical Biosensor）、半導 體離子感測器（Ion Sensitive Field Effect Transistor, ISFET）、光纖生物感測器（Fiber-optic biosensor）和壓電晶體生物感測器（Piezoelectric quartz crystal biosensor）等。由於生物 感測器涉及的研究範圍非常廣泛，幾乎包含了所有生命活動在分子、細胞和系統各層次 的物理、化學和生物資訊感測，從感測進行的條件上，又可分為體內（in vivo）感測和 體外（in vitro）感測，前者的即時性和動態性好，而後者的測量條件穩定、易於控制；
另外，根據創傷的程度還可分為侵入式（invasive）和非侵入式（noninvasive）感測。
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圖 1.1.1、生物感測器的基本架構
在眾多分類的生物感測器當中，細胞生物感測器（cell-based biosensor）是其中一項 長期受到重視的議題[2]，它能夠直接從細胞接收並轉換生物訊息為電子訊號；因此可將 細胞生物感測器作為生物體和電子量測儀器之間的介面（archetypal interface）；除此之 外 ， 因 為 細 胞 生 物 感 測 器 的 靈 敏 度 高 ， 選 擇 性 極 優 且 反 應 快 速 ， 像 是 生 物 醫 藥
（biomedicine）、環境監測（environmental monitoring）和藥物篩檢（pharmaceutical screening）等，都可見其應用；目前因應生物培養技術、微機電工程和基因工程的蓬勃 發展，細胞生物檢測器的應用層面有了更進一步的拓展。
在本篇論文中，是結合生物與半導體製程技術，製作出微電極陣列（microelectrode array, MEA）當作細胞生物感測器，在細胞與電性量測儀器之間提供適當的介面，將細 胞產生的訊息轉換成電子訊號，並經過適當的訊號處理過程後，利用量測儀器紀錄生物 細胞的電生理訊號。
1.1.2 心臟組織簡介[3]
心臟是提供人類生命所需能量的重要器官，是一個由心肌細胞（cardiac muscle cell）
所組成的強而有力的幫浦，內部是中空的腔室，分為心房（atrium）和心室（ventricle）。
圖 1.1.2 描述的是心臟血液循環路徑；當心臟舒張的時候，靜脈中的血液流進心房，心
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房收縮，血液流入心室，心室收縮，推動血液進入動脈。而心臟的收縮與舒張是自發性 的，不需要經由神經來刺激，這是因為心臟有特殊的機制來維持節律性，並將動作電位 傳遞給心肌，使得心臟得以規則地收縮，圖 1.1.3 所示即為心臟傳遞動作電位的示意圖；
心臟中的竇房結（SA node），又稱為心臟的節律點，是主要引發及控制心臟跳動的構造，
位於右心房上壁靠近上腔靜脈開口處的一組特化神經肌肉纖維組織，能像神經元一樣產 生電性衝動；當竇房結開始去極化，電性衝動會經由心肌傳遞至房室結（AV node），在 傳遞過程中，心房的心肌細胞去極化，使得心房收縮，並將血液送進心室。一般而言，
心房與心室之間的電訊號約差 0.1 秒的時間，目的是為了確保心房收縮會在心室收縮之 前完成。當心房收縮完成，再藉由心臟舒張將血液自靜脈吸入，同時心室的心肌細胞去 極化，導致心室收縮，血液流進動脈，完成一次循環。
圖 1.1.2、心臟血液循環示意圖 圖 1.1.3、心臟電位傳遞示意圖
因為心臟的電性衝動傳遞和心臟的血液循環系統有如此密不可分的關係，因此藉由 量測心臟的電位變化，可了解心臟的功能與狀態。圖 1.1.4 為心臟各部位的電位變化，
一般所熟知的心電圖即是由這些電位變化共同組成。
http://www.metrohealth.org/body.cfm?id=1482
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圖 1.1.4、心臟各部位之電位變化
心肌細胞簡介
心臟由三種主要的心肌構成：心房肌、心室肌及特化的興奮與傳導纖維。心房肌和 心室肌的收縮方式和骨骼肌很像，但收縮時間較長；而因為特化的興奮及傳導纖維其所 含的收縮纖維較少，故與骨骼肌相比收縮力較差，但在心臟的興奮系統與傳遞系統中，
能迅速地傳導興奮的訊號。
由圖 1.1.5 可看出心肌纖維的排列呈現網狀的纖維分叉，然後再接合，最後又分叉。
和骨骼肌一樣心肌也具有橫紋，橫跨心肌纖維的暗色地稱為肌間盤（intercalated disk），
是分隔細胞間的細胞膜；也就是說，心肌纖維是由許多心肌細胞彼此依序相連而成。而 和一般細胞不同的是心肌細胞的細胞膜彼此融合，形成一個非常容易擴散離子的高滲透 接合處，稱為 gap junction。因此通過肌間盤的電阻只有心肌纖維外膜電阻的四分之一；
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就功能的觀點來看，因為離子容易沿著心肌纖維的軸向運動，所以動作電位在穿越肌間 盤至另一個心肌細胞的阻力很小，因此只要其中一個細胞受到興奮，動作電位就會散布 至所有細胞，由一個傳到另一個，最終將散佈於整個網狀聯結。
圖 1.1.5、心肌纖維排列示意圖
在本篇論文中，是選用雞胚胎的心肌細胞進行實驗。因為和神經細胞的動作電位相 比，心肌細胞所產生的動作電位較大，對於初期建立動作電位量測系統來說，是比較好 的選擇。