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奈米分子水壩效應及在
生物醫學上的應用
報告人：周家復
中央研究院物理研究所
[email protected]
102年1月23日
Nanobioscience Lab
奈米分子水壩系統開發目的:
1. 生物分子的富集與預濃縮
2. 高靈敏度之蛋白質偵測分析
3. 生物標誌物(biomarkers)的微量偵測
，可應用於疾病的早期及快速診斷
（例如：癌症，心血管疾病，流感
）
Nanobioscience Lab
生物檢測器工作原理示意圖
Direct assay format of biosensors
待測物濃度愈低，反應時間愈長
圖示說明
生物辨識分子
傳感器
待測物
樣品中其他分子
Nanobioscience Lab
癌症標誌分子早期檢測或術後追蹤
Cancer biomarkers detection
美國聯邦食品藥物管理局核定之
臨床應用上的癌症標誌分子
(FDA-approved)
肺癌
肝癌
< 10 ng/ml
4-10 ng/ml
攝護腺癌
大腸癌
< 2.5 ng/ml
Nanobioscience Lab
AFP
PSA
CEA
人體血漿中蛋白質濃度分佈 (癌症標誌分子濃度極低)
The Human Plasma Proteome: History, Character, & Diagnostic
Prospects. N. L. Anderson and N. G. Anderson (Molecular & Cellular
Proteomics 2002, 1, 845-867)
Nanobioscience Lab
絕緣奈米隘口－電場聚焦透鏡
Insulating constriction as Electric Field Lens
無電極式介電泳 (Electrodeless Dielectrophoresis)
CFC et al., Biophys. J. 2002，83，2170.
CFC, F. Zenhausern， IEEE Mag. Med. Biol. 2003， 22, 62.
Swami, CFC, Ramamurthy, Chaurey, Lab Chip 2009, 9, 3212.
電力線
介電泳力由電場梯度產生，
其大小和電場平方成正比
絕緣奈米隘口
上視圖 (top view)
æ e* - e* ö
m ÷
2
F = 2pa 3e m Re çç *p
Ñ(E
)
* ÷
è e p + 2e m ø
Nanobioscience Lab
奈米分子阱及分子水壩之工作原理
分子阱
正介電泳
(吸引力)
分子壘
負介電泳
(排斥力)
分子壩
負介電泳＋直流偏壓
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絕緣奈米隘口元件圖
Nano-constriction device
電場聚焦倍數: 由微流道入口處對奈米隘口之截面積比決定：
本元件電場聚焦可達 70000倍（介電泳力增強50億倍！）
電場由奈米隘口之聚焦，相當於水流在管道狹窄處加速
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實作影片播放
奈米分子阱 Molecular traps
Alexa-488 labeled
streptavidins
10 µg/mL
473 Vpp/cm @10 KHz
奈米分子壩 Molecular dams
214 Vpp/cm @ 1 MHz
& 1.5 V/cm dc bias
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超高速蛋白質富集（20秒內濃縮至少10萬倍）
Ultrafast Protein enrichment (105X in 20 s)
Nanobioscience Lab
K.T. Liao, C. Polanco, V. Chaurey, CFC, N.S. Swami
(2012). Electrophoresis 33, 1958-1966.
Nanobioscience Lab
奈米分子水壩之未來應用
近中期目標：
 癌症標誌分子早期檢測
 疾病的即時診斷（心肌梗塞因子肌鈣蛋白，流感標誌物等）
Biosensor design
生醫檢測器設計
Enriched biomarkers
分子壩：生物標誌物富集處
Patterned biosensor
檢測器位置
Nanobioscience Lab
研究成果之市場競爭潛力
（此項成果已申請美國專利，中華民國專利申請中）
本研究裝置與方法有以下幾項優點：
(1) 目前市場上，蛋白質富集大多用表面修飾之微米磁珠，但對於
極低濃度的蛋白質富集，顯得力不從心。本研究之方法相較多
數研發中以電場驅動的微奈米平台，其富集速度要快上許多。
(2) 比傳統方法更有效達成蛋白質富集及預濃縮。
(3) 和微型化感測平台（生物晶片）相容，此裝置可以與多通道以
及陣列線路佈局無縫整合以達成平行操作。
(4) 此裝置可以廉價的大量生產，並可用塑膠材料製作。例如以微
熱壓塑膠成型（hot embossing）或奈米壓印
(nanoimprinting)技術達成。
Nanobioscience Lab
研究成果之可能應用：
生醫產業，生物綠能，化工產業，或研究單位需要做
微量蛋白質的分析量測（包括定性與定量）的應用皆
為潛在市場
產業界：
1.
生醫產業－癌症的早期診斷（攝護腺癌，肝癌等），疾病
的即時診斷（心肌梗塞因子肌鈣蛋白，流感標誌物等 ）
2.
生物綠能－高效之微型生化反應器
3.
藥廠－藥物-蛋白質反應及藥物篩選
4.
化工產業－酵素反應效能之提昇，沉澱研究
學術界：
1.
生物標誌物之分析與發現
2.
蛋白質體研究（結合質譜儀，可能應用於蛋白質甲基化及
磷酸化之分析或搜尋新的癌症或幹細胞標誌分子 ）
3.
蛋白質結晶學（例如：快速提高蛋白質結晶所需的臨界濃
度）
4.
微型生化反應器
5.
酵素反應動力學
Nanobioscience Lab
134 (21), 8742−8745 (2012)
Nanobioscience Lab
美國化學學會期刊選為重點文章
J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 10307
Nanobioscience Lab
誌謝：
本研究成果為國科會，中央研究院（
前瞻主題計劃、奈米科技研究計畫及
奈米核心設施），與美國空軍實驗室
亞洲辦公室(AOARD)支持下完成。
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