選用的生物分子系統為 NHS-biotin 分子與 Gold-labeled streptavidin 蛋白，
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藉由感測生物分子對於矽奈米線所造成的光源遮蔽效果[9, 10]，進而量測 其光電流輸出之研究[9]。相較於其他生物感測之結構，如場效電晶體 (Field-effect transistor)感測器，我們所使用的元件優勢在於，以光學的訊號 做為感測輸入，提供一個穩定且無外界環境干擾[11]，如 pH 值的變化、離 子濃度變化等之感測環境，最後所擷取並分析的輸出訊號則為電訊號，也 就是光電流會隨著待測檢體的濃度不同而變化，透過光電流的輸出值可確 知檢體中特定生物分子的含量，且量測中可不施以任何偏壓，因此檢測時 可達到節能之效果。
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1.2 矽奈米線之生物感測器
由 Charles M. Lieber 團隊於 2001 年所發表[1]，將矽奈米線裝配製作成 場效電晶體(FETs)，並於電晶體表面修飾特定生物分子，藉由矽奈米線場效 電晶體做為生物感測器，由於電晶體表面因生物分子修飾造成電位及電場變 化進而導致場效電晶體的導電度發生改變。矽奈米線場效電晶體的感測機制 如圖 1-1，場效電晶體的三個電極端 Source、Drain、Gate 均為 p-type 矽，
橫跨 Source 和 Drain 兩端的導電度會隨著 Gate 端所施加的電壓而有所變化；
例如於閘極端施加正電壓使得電洞空乏，造成 p-type 矽的源極和汲極端的導 電度下降，因此做為一個矽奈米線生物感測器，我們在其表面修飾特定接收 器分子(receptor)捕捉特定目標分子(target)，由於不同生物分子根據其所處溶 液環境之 pH 值、與等電位點帶有特定電荷量，因此當帶正電荷的標的分子 與矽奈米線表面的接收器分子結合，此時，如同於矽奈米線的閘極施加一正 電壓，造成 p-type 矽中載子空乏，使得矽奈米線場效電晶體的導電度下降，
藉此達到生物感測之目的。
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(a)
(b)
圖 1-1 (a)矽奈米線場效電晶體之裝置示意圖。(b)矽奈米線場效電晶體生物感測 示意圖。
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1.3 矽奈米線太陽能電池
太陽能電池被視為是一個乾淨且再生的能源轉換元件[12]，由於其所需 的太陽光資源豐富、環保、乾淨且能將光源轉換成電能輸出，因此大量的研 究及實驗致力於提高太陽能電池的光電轉換效率目標上。近年來，奈米結構 的矽太陽能電池被大量討論應用做為新一代的太陽能電池，由於矽材料在太 陽能電池工業中仍具有其重要的地位，除了成熟的矽製程技術之外，亦是地 表上含量豐富且不具毒性的材料之一，因此廣泛被應用做為環保且再生的太 陽能能池。接著以高品質的單晶矽做為太陽能電池的材料，由於單晶矽的缺 陷少因此少數載子的生命期也較長。
另外，Charles M. Lieber 團隊於 2008 年於 Nano letter 期刊所發表的文獻 中指出[6]，以 VLS(Vapor-Liquid-Solid)的方法製備矽奈米線，且於一般矽太 陽能電池的 N junction 構造中引入本質層 (intrinsic region) 結構，成為 P-i-N 矽奈米線太陽能電池，可具備良好的電流-電壓特性[5, 6]，如圖 1-2 所 示紅色曲線為 P-N junction 結構、而綠色及黑色曲線皆為 P-i-N 結構，i 長度 分別為 2 μm 和 4 μm，其中 i 長度為 4 μm 的元件其光電特性表現最佳: VOC
為 0.29 V、最大 JSC為 3.5 mA/cm2、而最大光電轉換效率則為 0.5%，由結果 顯示由於矽奈米線二極體結構中加入了本質層(intrinsic region)，可明顯提升 太陽能電池的品質和提高光電轉換效率，也減少元件所產生的漏電流。
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圖 1-2 矽奈米線太陽能電池之光暗電流特性圖。(A)未照光之電流-電壓曲線 圖，(B)照光後的電流-電壓曲線圖。
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1.4 感光性生物感測陣列
於 2010 年，韓國研究團隊利用 P-i-N 結構的光偵測器偵測光電流值 [9]，如圖 1-3，偵測器上方架設玻璃基板與 LED 光源設備，並於玻璃基板 表面修飾特定抗體蛋白並偵測特定抗原，接著將帶有金奈米粒子的二次抗 體與抗原進行專一性鍵結，並利用銀染反應放大金奈米粒子，增強對下方 光偵測器所產生的遮光效應，當檢體中的 prostate-specific antigen (PSA)濃 度提高，則固定於玻璃表面的奈米粒子數量也會相對增加，因此所偵測到 的光電流值會顯著的下降，如圖 1-4 及圖 1-5，因此於研究中，對於 PSA 特定抗原的偵測極限值達 1 ng/mL。
圖 1-3 感光生物偵測器量測系統示意圖[9]。
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圖 1-4 不同濃度之 PSA 抗原與光電流之分析圖。
圖 1-5 未施加偏壓下的 ISC對 PSA 抗原濃度關係圖。插入圖片為不同 PSA 抗原 濃度經銀染後所拍攝的 SEM 圖。
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阻及電阻率進行分析，並以 TEM、SEM 電子顯微鏡拍攝矽奈 米線元件的形貌及實際線寬和結構。
4. 第四章主要介紹本研究所進行的所有實驗方法及材料，包括矽 奈米線元件太陽能電池陣列的基本特性量測、低溫實驗的量 測，以及接下來應用於生物感測平台的部分，包括：生物分子 的修飾技術、銀染反應放大訊號的技術、針對銀染反應色度變 化快速篩檢的掃描機辨別技術，以及最後生物感測平台的架 設。
5. 第五章將把整體研究的所有實驗結果進行分析與討論，包括矽 奈米線太陽能電池的基本特性、溫度及光強度對元件本身的影 響，接著針對太陽能電池領域中的重要參數進行整理與分析，
並與其他頂尖研究團隊進行比較；接著於生物感測平台量測的 部分則討論不同元件之間對於感測分子的光電流變化差異，並 從實驗結果中歸納出我們所建立的量測平台所擁有的優勢及長 處。
11 曼(Boltzmann)常數，n 則是理想因子(Ideality factor)，由半導體材料和製造 特性所決定。
當太陽能電池照光時，入射光子被吸收並產生電子-電洞對，在空乏區 (Depletion region)內產生的電子-電洞對，立刻被內建電場 E 分離，電子受 內建電場的影響往 n-type 區漂移，而電洞則往 p-type 區漂移，示意圖如圖 2-1。