DNA 分子量測

在此以所製作的之蕭特基二極體光電元件作為生物偵測器，量測不同濃度、

不同種類之 DNA 分子滴在元件表面，所得到的電訊號。此元件為蕭特基二極體，

以氙燈光源穿透 AM1.5 濾片的白光，模擬太陽光光譜，且在光強度為 100mW/cm² 的情況下照射元件上孔洞周期陣列處，並以 Keithley2400 讀取其每秒電訊號。

實驗量測步驟為下

1. 將光源照射在孔洞週期陣列上，而量測照白光下，元件之光電流，每秒鐘讀 取數值持續量測 5 秒鐘，此時元件上尚未有任何分子。

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圖 4-13 初始光電元件量測圖

2. 將光源照在孔洞週期陣列上，而後將3μL 去離子水滴在元件孔洞週期陣列表 面，使其均勻分布，量測其光電流，每秒鐘讀取一數值持續量測 5 秒鐘。

圖 4-14 滴上 3μL 去離子水元件量測圖

3. 而後將去離子水以氣槍，將其吹淨，確保其上無液體殘留，將光源照射在孔 洞週期陣列上，量測其光電流，每秒鐘讀取一數值持續量測 5 秒鐘，此時元件上 亦無任何分子。

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圖 4-15 空白元件量測圖

4. 將光源照射在孔洞週期陣列上，而後將3μL 雙股 DNA (F36R36) 溶液滴在孔 洞週期陣列上，量測元件之光電流，每秒鐘讀取一數值持續量測 5 秒鐘。

圖 4-16 滴上 3μL DNA 溶液元件量測圖

6. 重複 3. 4. 之步驟，滴上不同濃度之 (3μL) DNA 分子溶液，量測元件之光電 流，每秒鐘讀取一數值持續量測 5 秒鐘。

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一、以上述量測步驟量測雙股 DNA 分子 (F36R36)

圖 4-17 不同濃度雙股 DNA (F36R36) 量測之光電流值對時間圖 將所元件所量測之電訊號和量測時間作圖呈現，如圖 4-17 所示。

可以清楚看到其光電流值呈階梯狀圖形，可分為下列幾個階段：

A. 初始元件 (Initial Device)

初始元件上無任何待測物，其電流值即為所製作出來之蕭特基二極體光電元 照光所產生之光電流，此量值可以作為基準值，當無任何待測物時，元件之光電 流值為穩定狀態，不易隨之前量測而改變，此顯示此元件有良好的穩定性，可多 次重複使用，而其值亦可用以判斷元件量測時是否為穩定狀態。

B. 元件表面滴上水分子

而後將水滴在元件孔洞週期陣列表面時，量測其光電流，發現其值和初始元 件之電流值相比，會較大，此主要原因為，水的折射率在可見光波段，較空氣為 大，(水 n=1.33，空氣 n=1)，因此覆蓋一層水分子在元件孔洞週期陣列表面，會 產生折射率匹配的現象 (index matching)[16, 17]，意即光從原本折射率 n=1 的介質 改為由 n=1.33 的介質進入到元件表面，此介質折射率的改變，有助於光穿透，使 表面電漿共振所產生之異常穿透現象增加，增加光電流。在此額外進行多次實驗，

確定滴上水分子在元件表面，所產生的電流增益為穩定值，即每次滴上固定量之 水分子，所量測出的光電流皆相同，而不會造成後續實驗的變因。後將水吹乾，

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Increased Current (A)

Concentration (M)

圖 4-18 不同濃度雙股 DNA (F36R36) 對元件之電流增益圖

由此圖可以清楚看到扣除水對元件所造成光電流增益的影響後，隨著雙股 DNA (F36R36) 濃度增加，光電流增益亦上升，且此為正相關情形。此實驗結果和 前面章節所推導之元件工作理論相符，因此可推斷不同濃度之 DNA 溶液，其 DNA

111 種不同種類之 DNA 分子溶液 ssDNA (F36)、ssDNA (F36)+ssDNA (N36)< mismatch

>、dsDNA (F36R36) ，ssDNA (F36) 為單股 DNA 溶液；ssDNA (F36) +ssDNA (N36)

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圖 4-19 不同種類 DNA 濃度變化與實驗量測電流增益

圖 4-19 為不同種類 DNA 濃度變化與相對應之電流增益情形，此實驗結果，

顯示此元件對於不同種類 DNA 的敏感反應，以及極低濃度的感測情形，以下就此 結果，進行分析討論：

I. 濃度檢測：

首先單一觀察同一種類 DNA 分子溶液， ssDNA (F36) (黑)、ssDNA (F36)+

ssDNA (N36)< mismatch > (紅)、 dsDNA (F36R36) (藍)，隨著濃度由小到大，電流 增益變化亦隨之正相關增加，因此光電元件，可作為此三種不同 DNA 分子之偵測。

II. 各種 DNA 鑑別：

再者觀察各個濃度不同 DNA 之電訊號增益情形，在每個濃度，電訊號增益值 皆為 dsDNA (F36R36)最大，ssDNA (F36)+ssDNA (N36) < mismatch >其次，ssDNA (F36) 最小 (但與 ssDNA (F36)+ssDNA (N36)< mismatch >接近)，即便是到極低濃 度(10^-16) 時，亦為此趨勢，因此可以合理推測，此 DNA 生物感測器，能作為單股 和雙股 DNA 之鑑別。在此就 DNA 分子結構進行實驗結果分析，雙股 DNA (F36R36) 為完美配對，兩條單股 DNA (F36)、(R36)，彼此每個序列皆以氫鍵鍵結而形成螺 旋狀，因此兩者之間非常靠近，僅有 1~2nm 的間距，此時所形成的局部電場效應 可視作兩倍的單股 DNA 緊鄰再一起所產生的效應，而相對於分散之單股 DNA 所 產生的局部電場效應為大，因此會對元件之電流增益會有所不同，而能有所區別。

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(Limit of Detection) dsDNA ( F36R36 ) CL=4.15X10^-16M

ssDNA ( F36 ) C_L=6.83X10^-16 M

2. 顯著機率檢測

顯著機率檢測 (Significance probability)，或通常稱之為 P-value，其為判斷統 計資料的方法，用於判斷原始假設是否正確的重要方式。而常見用的統計檢定方 式中，如學生 T 檢定 (Student’s t-test) 和卡方檢定 (chi-squared tests)，常以 P-value 值作為判斷依據。

此 P-value 常見的公式形式如下所示：

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Z = ^{𝑥̅−𝜇}𝜎 ⁰

√𝑛

(4.7.2) Ｚ：將所計算而得的 Z 值，換算成機率，即為 P-value 值。

𝑥̅ ：樣本平均數 𝜇₀：選定平均數 𝜎：樣本標準差 𝑛：樣本數

根據顯著性檢測方法所得到的 P 值，一般以其 P-value 值小於 0.05，則標示*，

為顯著；小於 0.01，則標示**，為非常顯著，小於 0.005，則標示***，其意涵為 樣本間的差異由抽樣誤差所致的機率小於 0.05 或 0.01，通常以 P-value 值越小，

表示其兩組數據相似性越低，而可推論此兩組數據，有顯著差異，彼此間可鑑別 程度越大。

在此利用生物統計上常用之 T-test 統計檢定方法，將所量測之光電流增益值轉 換成 T-分布，而後以程式，計算兩組數據之間 P-value 值，觀察是否具有統計之顯 著性，藉以作為量測結果之判斷。

圖 4-20 各個不同 DNA 在 10^-16濃度對純水之 P-value

由圖 4-20 可以看到各種不同種類的 DNA，如 ssDNA (F36) 、ssDNA (F36)+

(N36) <mismatch>、dsDNA (F36R36)，其在極低濃度 (10^-16) 之所量測的光電流值，

分別對應純水的光電流值，其所計算出的 P-value 值皆小於 0.05，(兩個**)，因此 可以推論在 10^-16此極低的濃度，各個濃度所量測之光電流和純水光電流差異為顯

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著差異，因此可有效鑑別出 DNA 和純水的差異，亦即在此極低濃度下，仍可量測 到此各種 DNA 對於元件的光電流增益。

(二)單股 DNA 和雙股 DNA 之鑑別

圖 4-21 ssDNA 和 dsDNA 對元件電流增益之 P-value

同樣的，在此利用生物統計上常用之方法，計算單股 DNA 和雙股 DNA 兩組 數據之間 P-value 值，以判斷所量測在誤差範圍內之資料是否具備可靠度，且相互 間具有顯著差異，由圖 4-21 可以看到在極低濃度下，dsDNA 和 ssDNA 之間光電 流所計算出的 P-value 值仍小於 0.05 (三個***)，此為顯著差異，因此相互間確實 是可以鑑別，且最低濃度可達 10-¹⁶M，為良好的鑑別生物感測元件。

三、量測 DNA 分子與元件電壓變化

由上述之光電流量測結果，可以發現 DNA 分子能使元件所量測之光電流增加，

如同前面章節之理論論述，當 DNA 分子靠近金屬週期孔洞陣列時，會造成金屬表 面感應正電荷而提升電位，此正電位之提升，能產生增益電流，如圖 4-22 所示。

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圖 4-22 DNA 分子對元件光電流增益之示意圖

為求對此機制更進一步的驗證， DNA 分子能對金屬表面有正電位的提升，

在此設計另一實驗，滴定不同濃度之 DNA 分子在元件表面，分別量測其元件電 壓變化，以探討 DNA 分子對金屬表面電位之影響。

在此所量測條件皆與前面實驗相同，以氙燈光源穿透 AM1.5 濾片的白光，模 擬太陽光光譜，且在光強度為 100mW/cm²的情況下照射元件上孔洞周期陣列處，

並以 Keithley2400 讀取其每秒電壓訊號。

10^-15 10^-13 10^-11 10^-9 10^-7 10^-5 0

2 4 6 8 10 12 14

Increased Voltage(mV)

Concentration(M)

ssDNA(F36) dsDNA(F36R36)

圖 4-23 不同濃度單股 DNA (F36) 和雙股 DNA (F36R36) 對元件之電壓增益 圖 4-23 中此為不同濃度的單股 DNA (F36)、雙股 DNA 分子 (F36R36)，滴在 元件表面，不同濃度對應電壓的關係，由此實驗結果，可得以下之推論：

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i. 正電位提升

由量測結果可以得知，隨著 DNA 濃度增加，元件量測電壓隨之增大，亦即正 電位之提升，此實驗結果，驗證 DNA 濃度增加，即對金屬表面正電位之提升，亦 即在之前實驗所見到，元件光電流增益之增加，此亦可驗證前面章節，對元件操 作理論之推導。

ii. 單雙股 DNA 之鑑別

先前實驗中所量測之單股 DNA 和雙股 DNA，所對元件之光電流增益有所差 異，在此以電壓所量測之結果，亦可見到單股 DNA 對於元件之正電位提升較雙股 DNA 為少，此符合先前實驗中單股 DNA 和雙股 DNA 對元件的影響的推論。