第一章 緒論
1-1 生物傳感器(Biosensor)的簡介
生物傳感器被定義為一種小型設備，能夠檢測化學或生物化學物質的生物傳感
元件，並在醫學研究和生物技術等領域具有廣泛的應用 1，例如藥物發現、疾病診
斷、環境監測(水質、土壤等等)、生物醫學、食品安全和加工、、防禦和安全等。
圖1-1 生物感測器的應用
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典型的生物傳感器由三部分組成：i）生物受體(bioreceptor)，它是一種專門與分 析物結合的生物識別元件； ii）換能器(transducer)，這是一種在發生特定生物學事 件時轉換信號的接口體系結構；以及 iii）處理系統（processing systems），其中使 用適當的系統檢測信號並將其轉換為其他信號，例如電信號。
圖1-2 生物傳感器之三部分2
1962 年， Clark 和 Lyons 為第一個發明測量生物樣品中葡萄糖的生物傳感器，
利用固定化葡萄糖氧化酶電極的電化學檢測氧氣或過氧化氫 3, 4。透過電化學、奈 米技術到生物電子學等的創新方法，使生物傳感器的技術和應用方面都獲得進一 步的發展。
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1-2 生物傳感器的換能器種類
生物換能器是生物傳感器系統的識別-轉導組件。它由兩個緊密耦合的部分組成，
生物識別層和物理化學換能器，它們共同作用將生物化學信號轉換為電子或光學 信號。生物識別層通常包含酶或另一種結合蛋白，例如抗體。它提供了生物傳感器 的選擇性和特異性。物理化學換能器通常與識別層緊密且受控地接觸。由於分析物
（目標靶標）的存在和生化作用，在生物識別層內產生了物理化學變化，由物理換
能器測量該變化，從而產生與分析物濃度成比例的信號5。物理化學換能器有多種
類型，可以是電化學、光學、電子、重量、熱電或壓電 6, 7。以下將分節介紹兩種 較常使用的生物傳感器類別，分別是電化學生物傳感器與光學生物傳感器 :
圖1-3 生物傳感器的種類8
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1-2-1 電化學生物傳感器
Clark 和 Lyons 所發明測量生物樣品中葡萄糖的生物傳感器，為電化學生物傳感 器領域中的第一項發現與開端。常規的三電極電池配置（工作電極，對電極和參比 電極，如圖 1-4(a)所示），電化學生物傳感器還可以應用於柔性和便攜式基材（圖 1-4(b)），例如絲網印刷電極( Screen Printed Electrodes, SPE）1，SPE 的生物傳感器 於1990 年代首次作為紙質便攜式生物傳感設備推出，大大降低了成本、尺寸和重 量，並可在低濃度電解質的情況下運行9。
圖1-4 (a)常規電化學三電極電池與(b)絲網印刷電極10
電化學傳感器可以通過各種分析方法提供電化學讀數，主要分為以下兩類別 : (1)安培(伏安)生物傳感器(Amperometric (Voltammetric) Biosensors)：其中又可分為 透過循環伏安（Cyclicvoltammetry, CV）、計時安培（Chronoamperometry, CA）、
微分脈衝伏安（Differential Pulse Voltammetry, DPV）、線性掃描伏安（Linear Sweep Voltammetry, LSV）。
(a) (b)
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(2)阻抗生物傳感器(Impedimetric Biosensors)：採用電化學阻抗譜技術
（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）。
安培(伏安)生物傳感器具簡單性、高靈敏度和可適用於檢測不同分析物的優 點，被廣泛採用11-14，而阻抗生物傳感器可以設計為無標記的檢測方法，無需使 用任何電活性物質。
1-2-2 光學生物傳感器
光學生物傳感器是根據信號強度與被測物質（分析物）的濃度比例判斷，進行分 析檢測。光學生物傳感器可以使用各種生物材料，包括酶，抗體，抗原，受體，核 酸，整個細胞和組織作為生物識別元件。
圖1-5 光學生物傳感器2
光學生物傳感器提供了優於常規分析技術，因為它們能夠直接、即時且無標記地 檢測許多生物和化學物質。它們的優點包括高特異性，敏感性，小尺寸和成本效益。
新型光學生物傳感器的實現應用了多種先進概念和高度多學科的方法，包括微電 子、微機電系統（MEMS）、微/奈米技術、分子生物學、生物技術和化學。
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➢ 巨觀量子穿隧效應( Macroscopic quantum tunneling effect )
微觀粒子具有貫穿位能障壁( potential barrier )的能力，稱為穿隧效應( Tunneling effect )。近年來，人們發現一些巨觀量，例如，微顆粒的磁化強度、量子相干元件 中的磁通量( magnetic flux）等亦具有穿隧效應，稱為巨觀的量子穿隧效應 。
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1-3-2 金屬奈米材料
一般奈米材料皆具有許多特殊的性質，而金屬奈米材料的局部表面電漿共振 ( Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR )特性，造就金屬奈米粒子具有獨特的 電子、磁性、催化和光學性質，使金屬奈米顆粒在科學及技術上有重要的影響19。 螢光的檢測是生物技術和生命科學領域中，最受重視的傳感技術之一。增強螢光 分子的螢光強度、提高其靈敏度與實現較低檢測限制是螢光感測器所注重的議題。
將金屬奈米材料應用於螢光感測器上，當金屬奈米粒子附近有螢光分子的存在 時，由於螢光分子與金屬中自由電子間的交互作用，增強了螢光分子的「共振能量 轉移( Resonance Energy Transfer, RET )」的範圍，以及改變「輻射衰變比率( Radiative Decay Rate)」，能有效地改變螢光分子的光譜性質，並增強螢光分子的螢光強度
19-21，見圖1-6。
圖1-6 金屬奈米粒子增強螢光的作用2
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