应用于肺癌相关挥发性有机化合物检测之可携式微型气相层析系统.pdfVIP

應用於肺癌相關揮發性有機化合物檢測之可攜式微型氣相 層析系統 1 1 2 呂學士 田維誠 曾宇鳳 1 國立臺灣大學 電子工程所 教授 1 國立臺灣大學 電子工程所 副教授 2 國立臺灣大學 資工系 教授 Abstract 摘要: 根據研究指出，人體呼出氣體將包含許多不同的揮發性有機化合物(Volatile organic compounds, VOCs) ，部分VOCs 更是扮演著潛在生理病症的指標，例如肺 癌。因此，若能對人體呼出氣體進行監控檢測，將會是一種便利且實用的檢測方 式 。本團隊藉由整合微機電系統(Micro electro mechanical systems, MEMS)製程之 前濃縮管(Preconcentrator, PCT) 、分離管柱(Separation column, SC) 、互補式金屬氧 化物半導體(Complementary metal-oxide-semiconductor, CMOS)之氣體感測晶片系 統(System-on-chip, SOC)搭配部分市售控制零組件，實現微型可攜式之氣相層析 (Micro gas chromatography , µGC) 系統。所研製之前濃縮管濃縮倍率達2170 倍， 分離管柱可成功分離七種肺癌相關的揮發性有機化合物。其 CMOS 氣體感測晶 片系統SOC 由 TSMC 0.35 µm 2P4M 製程開發 ，其中包含了指叉狀的電極結構 氣體感測器、感測器校正轉換電路、低雜訊儀導放大器、10-bit 類比數位轉換器 以及微控制處理單元。該 µGC 系統成功的採樣、分離和檢測出7 種由文獻所報 2 告潛在之肺癌生物標誌。同時也具備良好之線性度 R =0.985 ，且其偵測極限 (Limit of detection, LOD)對於 1,3,5-Trimethylbenzene 氣體可達到15 ppb 。 一、研究目的 隨著科技進步，人們的平均壽命越來越長。這樣高齡化社會，促使醫療服務 發展重點由急症治療轉而以慢性疾病為主，例如癌症。然而，癌症的死亡量依然 非常大，其中又以肺癌佔據了最大的比例。這些肺癌病患難以治療往往是發現得 太晚，皆是因為無法針對病患進行長時間的檢測和追蹤。如果醫療機構能提供人 們完整的個人化整合性照護服務，除了可以減少人們往返醫院的奔波、重複用藥、 醫療資源浪費等，更有機會及早發現這些疾病。因此，慢性病患在家自行測量生 理參數，已成重要趨勢。定點照護檢測(Point-of-care testing, POCT)於 1995 年， 由美國臨床實驗室標準化委員會(National Committee for Clinical Laboratory Standards, NCCLS)提出，意即進行居家的預防性檢驗或是患者的追蹤檢測，利用 便利的設備在短時間完成檢測。對於這些慢性病正，人們將由被動轉為主動，預 防勝過於治療。未來的醫療資源使用方式，將會是自家使用家用醫療設備進行長 時間的追蹤檢測，其所得到的生理參數將可透過網路送到醫療雲端系統，醫生直 接透過這些參數給予專業的意見與治療。然而，目前定點照護檢測仍有許多限制， 一來許多設備操作門檻較高，難以普及使用。另一方面，目前居家照護能獲取的 生理參數非常有限，常見的為心跳、血壓和血氧..等 。考慮到衛生性以及方便性 等，若能對於呼出氣體進行分析檢測將會是非常理想的方式。許多研究單位也投 入尋找人類呼吸生物標誌與疾病之間的關係[1, 2] 。目前廣泛應用到臨床人體呼 氣相關檢測之儀器為氣相層析儀(Gas chromatography, GC) ，但由於其體積龐大、 價格昂貴，並且需要專業檢測人員的操作以及判讀，所以無法達到 POCT 的理 念。因此，本研究實現一可攜式微型氣相層析儀(µGC) 。該系統整合MEMS 前濃 縮管(PCT) 、MEMS 之分離管柱(SC) 、整合C