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全球首款新冠病毒晶片檢測系統 核心技術來自中研院

中研院物理研究所研究員陳啟東。中研院/提供
中研院物理研究所研究員陳啟東。中研院/提供

中研院今(25)日公布,該院物理研究所研究員陳啟東團隊研發「矽奈米線場效應電晶體」先進技術,經技轉給矽基分子電測科技公司後,打造為全球首款新冠病毒快速檢測晶片系統,單次樣本檢測只需3分鐘;完整的檢測包含檢體、陰性樣本、陽性樣本對照,以及人員作業時間,也僅要20分鐘內就可取得檢驗結果。

這項儀器甫已於2021年12月底通過食品藥物管理署緊急使用授權(EUA)核准製造,適合佈署於機場、人潮較多的檢驗站,為第一線防疫人員添上一大利器。中研院副院長周美吟表示,此研發技術為中研院回應疫情迫切需求,善盡社會關鍵責任,推動任務導向研究之具體成果。

中研院指出,新冠篩檢目前普遍採用聚合酶連鎖反應(PCR)核酸檢測,需透過螢光標識且耗時較久,且受限於光學解析度,若檢體中的病毒等致病因子含量太少時,便無法透過光學訊號判讀。陳啟東則表示,晶片系統所使用的核心技術「矽奈米線場效應電晶體」(silicon nanowire field-effect transistor, 簡稱SiNW-FET),是一種半導體技術應用,以電流訊號檢測,具快速、即時、高靈敏度等特性。

此技術同時也結合分子檢測方法,將可辨識新冠病毒核酸的生物探針分子固定於SiNW-FET晶片上。當晶片偵測到檢體內含有新冠病毒核酸序列,電流訊號會上升,進而得知檢體含有新冠病毒。單次樣本檢測只需3分鐘,完整檢測包含檢體、陰性樣本、陽性樣本對照,以及人員作業時間,可於20分鐘內取得檢驗結果。

陳啟東說明,相較於PCR以光學設備進行驗證,SiNW-FET直接以電訊號檢測,利用待測物(如蛋白質、DNA等)本身的帶電特性,偵測電荷分布的改變,故能擺脫光學侷限,快速、準確測出微量分子,大幅縮短檢測時間。

中研院表示,矽奈米線場效應電晶體近年來廣泛使用於生醫感測元件上,然而,如何整合元件並建立一套生物感測系統是一大挑戰。陳啟東對此鑽研已超過十年,從一開始在實驗室及無塵室設計和製作SiNW-FET,後來再請半導體廠代工晶片製程。

陳啟東表示,半導體場效元件有不同的製程,較常見的是金屬氧化物半導體場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET),而他所研發的矽奈米線場效應電晶體則不含金屬閘極,很難控制暴露於外的矽通道表面之材料性質,屢屢受挫。這十幾年來,他不斷研究測試各種形式的SiNW-FET並優化製程,以提高感測元件的性能與穩定性,迄今已研發出兩項專利,並已技轉給廠商。

本次新冠病毒晶片檢測系統整合「半導體製程技術」與「生物科技」等兩大領域,獲中研院技轉的矽基分子電測科技股份有限公司,核心成員來自陳啟東研究團隊,且為國家生技研究園區進駐廠商,致力於半導體生醫晶片即時檢測的開發與應用,因新冠疫情爆發,遂投入新冠病毒快速檢測研發,由陳啟東提供技術協助,國家實驗研究院臺灣儀器科技研究中心進行安規前期驗證,高雄榮總執行臨床測試,攜手為臺灣與全球防疫貢獻心力。

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