第一章 導論
第二節 生物脂雙層膜作為偵測平台之研究價值與目的
1.2.3 網絡式矽奈米線場效電晶體
文獻 63指出，SiNW-FET 的表面在鋪成 SLB 後，因其遮蔽了矽奈米線的表 面，造成電訊號強度的下降，對此我們設計出網絡式矽奈米線場效電晶體 (multiple-parallel-connection silicon nanowire field-effect transistor, MPC SiNW-FET) 的系統，以增強訊號強度與降低偵測極限。
MPC SiNW-FET 的設計概念是欲將偵測所得之訊號雜訊比提高，而電訊號 偵測之訊雜比 (signal-to-noise ratio, SNR) 又與 Isd-Vg曲線之斜率有關64，關係式 如下：
當Isd-Vg曲線之斜率增加，ΔI 值上升，使得 SNR 上升，故如何使 Isd-Vg曲線之斜 率增大，為一重要的課題。在此Isd-Vg曲線之斜率即所謂跨導 (transconductance, G)，其公式如下：
2004 年，Zhou 的研究團隊以 In2O3奈米線電晶體選擇性偵測NO2氣體 65， 其研究指出，當奈米線的數量由單根增加至多根時，可使得感測器的靈敏度增加 且降低偵測極限。圖 1-11 顯示，當只有單根 In2O3奈米線的電晶體作為偵測NO2
氣體的平台時，其偵測極限約為20 ppb，若將 In2O3奈米線的數量增加至數百根 以上，則偵測極限可降低至5 ppb，故認為奈米線數量的增加，可以提高偵測靈 敏度並有效降低偵測極限。
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圖 1-11 (a)以 Ti/Au 作為源-汲極電極之單根 In2O3奈米線電晶體。(b)以單根 In2O3
奈米線電晶體偵測NO2氣體，偵測極限約20 ppb。(c)多根 In2O3奈米線電晶體。
(d) 以多根 In2O3奈米線電晶體偵測NO2氣體，偵測極限可達約5 ppb 65。
類似的概念轉換至 SiNW-FET 上，將奈米線的數量增加 (圖 1-12)。原先一 對一 (共 180 對) 源-汲極電極之 SiNW-FET 的設計上 (簡稱 single SiNW-FET)，
每對源-汲極電極間大約只含有一至數條 (< 10) 的矽奈米線，其跨導值約在 1000~3000 之間，若可以將源-汲極電極間的矽奈米線數量提升，使得 Isd-Vg曲線 斜率增加，跨導值上升，提升訊號雜訊比，即可增加SiNW-FET 的靈敏度且降低 偵測極限，以避免在脂雙層膜形成於SiNW-FET 的表面後，因遮蔽了矽奈米線的 表面，造成電訊號強度的下降，導致後續生物分子偵測實驗的偵測極限受限。
圖 1-12 MPC SiNW-FET 設計概念。將矽奈米線的數量增加，以提升 Isd-Vg曲線 斜率值，得較佳的訊雜比。
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1.2.4 研究動機
呼吸作用 (cell respiration) 為生物體細胞將養分分解產生能量的過程，而絕 大部分的分解作用是藉由催化酶促進氧化還原反應的進行。在呼吸作用中，養分 的來源有三大物質，分別為碳水化合物、蛋白質和脂質。而以粒腺體為例，呼吸 作用是透過糖解作用 (glycolysis)、丙酮酸脫羧 (pyruvate decarboxylation) 和檸檬 酸循環 (citric acid cycle) 等步驟，將能量暫存至 NADH 與 FADH2中，最後經由 電子傳遞鏈 (electron transfer chain)，生成三磷酸腺苷 (ATP)，提供細胞能量，以 供生命活動使用。電子傳遞鏈是由一系列電子傳遞蛋白所組成，而組成的聚合蛋
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定和天然的屏障，控制細胞內、外物質的進出，除此之外，脂雙層膜亦可容納大 量具識別、運輸、信號傳遞功能的蛋白質。故以磷脂質雙層膜模擬生物細胞膜，
除了可以維持脂質分子二維的流動性之外，亦可維持膜蛋白的構形，並保持其功 能性，而如何建造可維持膜蛋白功能的生物奈米偵測介面，為一個相當重要課 題。
近年來的研究中，許多學者開始致力於利用脂質膜建造奈米級生物感測元件
63,70,71，儘管已經取得了初步的研究工作，但其尚具有許多應用的可能性，假若
我們亦可成功地將脂質膜鋪成在SiNW-FET 的表面上，對後續膜蛋白作用等相關 主題的研究具有一定程度的幫助。
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1.2.5 研究目標
此論文的第二部分，目前僅進行至生物脂雙層膜與SiNW-FET 的結合，作為 一個全新的生物感測平台。
一般SiNW-FET 生物感測器，是藉由化學鍵接分子在矽奈米線的表面修飾上 特 定 的 受 體 (receptor) 作 為 感 測 元 件 。 在 此 部 分 的 研 究 中 ， 我 們 欲 以 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (DOPC) 中性磷脂質分子於 SiNW-FET 的表面鋪上一層脂雙層膜 (圖 1-13)，模仿生物細胞膜的環境，取代一般的化學 修飾法，以維持欲偵測蛋白之構形與功能。
依據文獻所指63，SiNW-FET 的表面在形成脂雙層膜後，因其遮蔽了矽奈米 線的表面，造成偵測電訊號強度的下降。故為避免因訊號強度的下降，導致偵測 極限受限，對此我們以MPC SiNW-FET 的系統作為全新的感測元件，以提高偵 測之訊雜比與降低偵測極限。結合脂雙層膜與MPC SiNW-FET 的優點，我們將 可在仿生物所處環境中利用SiNW-FET 進行膜蛋白等相關主題的研究。
圖 1-13 以DOPC 中性磷脂質分子，於 MPC SiNW-FET 的表面製備脂雙層膜，
作為仿細胞膜的生物感測元件。
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