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如何快速量產高靈敏的DNA 感測器: 拋棄式 CVD Glassy Carbon 電極結合 Amine Grafting 技術?

在現代醫療與生物科技領域中,DNA 感測器(DNA Sensor)正快速成為疾病診斷、基因檢測與藥物開發的核心技術之一。透過 DNA 感測器,Zensor能夠在分子層級上精準偵測目標基因或疾病標記物,協助進行疾病早期診斷、藥物監測以及分子診斷(Molecular Diagnostics)。然而,開發一種既靈敏、穩定又具成本效益的檢測平台,一直是研究與產業界面臨的挑戰。傳統的金電極雖然常用於生物感測,但其成本高、表面不穩定,且不易大量製造。為了克服這些限制,Zensor R&D的拋棄式 CVD Glassy Carbon 電極結合 amine grafting(氨基嫁接)表面改質技術,打造出新一代高效能的 DNA 感測開發平台。

6-1.1 為什麼選擇 CVD Glassy Carbon 拋棄式電極?

CVD(Chemical Vapor Deposition)製程的 Glassy Carbon 電極兼具材料穩定性與製程一致性,特別適合應用於生物感測與電化學檢測。與傳統電極相比,它有以下幾個顯著優勢:

  • - 高度化學穩定性:可耐受強酸強鹼環境,適合長時間與複雜樣本接觸。
  • - 低背景電流:減少電化學檢測的雜訊,提高靈敏度。
  • - 批次穩定性:CVD 製程可大量生產,確保每一片電極的一致性。
  • - 拋棄式設計:避免交叉污染,特別適合臨床檢測與即時診斷(Point-of-Care Testing)。
  • - 成本效益佳:相較於金電極,CVD glassy carbon 電極更具經濟性,適合大規模應用。

6-1.2 Amine Grafting:表面改質提升 DNA 固定效率

在 DNA 感測中,如何有效且牢固地將 DNA 探針固定到電極表面,是影響檢測靈敏度與穩定性的關鍵。為此,Zensor採用了 amine grafting(氨基嫁接)表面改質技術。

Amine Grafting 的核心優勢:

  • - 提供氨基官能基:能與 DNA 或探針分子形成共價鍵結。
  • - 提升固定穩定性:避免 DNA 在檢測過程中脫落,增加檢測重現性。
  • - 增強電化學訊號:使分子識別過程更清晰,靈敏度更高。

在相關文獻(Chem. Rev. 2008, McCreery 等人)中,amine grafting 已被證實是碳電極表面改質的可靠方式,特別適合應用於 DNA 感測器與生物檢測平台。

6-1.3 Zensor的實驗成果:Amine 與 Diazonium Grafting 驗證

6-1.3.1 Ethylenediamine Grafting

使用乙二胺(Ethylenediamine)與四丁基銨鹽作為電解質,在電極表面成功嫁接氨基官能基。結果顯示,電極表面修飾後更適合 DNA 探針的固定。且片和片之間的一致性非常好

6-1.3.2 EDC/NHS 耦合 Ferrocene Carboxylic Acid

採用 EDC/NHS 化學耦合反應,將 Ferrocene Carboxylic Acid (Fc-COOH) 修飾到電極表面。成功觀察到明顯的氧化還原訊號,作為探針修飾的驗證。

6-1.3.3 Diazonium Grafting 與 Nitro Group Redox 驗證

在電極上進行 4-Nitrobenzenediazonium 的還原嫁接,並透過循環伏安法(CV)檢測 nitro group 的氧化還原特徵。實驗證明此方法具有高重現性與穩定性,顯示表面改質的成功與可靠性。

透過這些實驗,Zensor不僅驗證了 amine grafting 的可行性,也展現了電極表面改質的穩定性與重複性,為後續 DNA 感測應用建立了堅實基礎。

6-1.4 為何不能使用傳統 Screen-Printed Electrode (SPE)?

傳統的 Screen-Printed Electrode(SPE)在快速量產與一次性檢測上非常方便且成本低,但它們在化學與電化學穩定性上有一個重要限制:多數商用 SPE 的導電墨水與黏結劑含有高比例的高分子樹脂(例如丙烯酸、環氧或塑化劑)與導電填料(碳黑、石墨、銀粉等)。這些高分子基底在遇到有機溶劑(如乙腈、乙醇、DMF、DMSO 等)時容易膨脹、溶脹或溶出增塑劑,導致墨層龜裂、剝離或導電連續性喪失;同時黏著層或保護層也可能與有機溶劑反應而脫層。

很多表面改質步驟(例如用 TBATFB/ACN 進行 amine electrografting、或 diazonium 在有機電解質中的還原嫁接)都必須在極性有機溶劑或低含水量的介質中進行,SPE 在此條件下常常無法承受化學侵蝕或電位掃描所引起的材料降解,進而造成不可逆的訊號退化或重現性差。此外,SPE 的印刷表面因為墨層組成與粗糙性,往往難以得到均一且高密度的共價表面官能化,影響 DNA 探針的固定效率與電化學訊號品質。

相對地,Zensor的 CVD-Glassy Carbon 電極是經高溫化學氣相沉積形成的純碳薄膜/塊材,結構致密、化學惰性且耐溶劑,能承受有機溶劑長時間接觸與寬電位窗下的電化學掃描,不會像 SPE 墨層那樣膨脹或剝落。這使得 CVD-glassy carbon 可直接在有機介質中執行 amine grafting、diazonium grafting、以及 EDC/NHS 類的耦合反應,得到穩定且高密度的共價接枝層,進而支撐高靈敏、可重現的 DNA 感測器設計。

6-1.5 DNA 感測應用場景

結合拋棄式 CVD glassy carbon 電極與 amine grafting 技術,Zensor能構建出更高效能的 DNA 感測平台,應用範圍涵蓋:

  • - 疾病早期診斷:例如癌症、遺傳性疾病的基因檢測。
  • - 臨床檢測:即時檢測患者體液中的基因或病原體。
  • - 藥物監測:監控藥物與 DNA 或蛋白質的交互作用。
  • - 環境檢測:偵測環境中的病原體或污染物基因片段。
  • - 食品安全:快速檢測食品中的致病菌基因。

6-1.6 未來發展

隨著分子診斷與個人化醫療的快速成長,對於高靈敏、低成本的 DNA 感測器需求將持續增加。Zensor的技術平台未來可望與:

  • - 微流體晶片(Lab-on-a-Chip)
  • - 可穿戴式感測器(Wearable Sensor)。
  • - AI 數據分析
  • 進行結合,打造智慧化與即時化的 DNA 檢測解決方案。

結語

透過拋棄式 CVD Glassy Carbon 電極與 amine grafting 技術,Zensor開發出高穩定性、高靈敏度且具成本效益的 DNA 感測平台。此技術能夠推動臨床檢測、疾病早期診斷與分子診斷的發展,並廣泛應用於醫療、環境與食品安全領域。

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