使用集成的多路復用 3D-μPAD 驅動的基於納米材料的 SERS Aptasensor 晶片改變床旁診斷，用於快速和便攜式檢測心肌肌鈣蛋白生物標誌物

沙馬拉（Tharmaraj Vairaperumal）、劉秉彥（Ping-Yen Liu）

摘要 
本研究提出一項創新即時診斷平台，結合多通道三維微流控紙基分析裝置（3D-μPAD）與銀奈米顆粒（AgNPs）為基礎的表面增強拉曼散射（SERS）適體感測晶片，能快速且攜帶便利地檢測心肌肌鈣蛋白生物標誌物。該平台旨在回應急性心肌梗塞（AMI）早期診斷的迫切需求，可透過毛細作用驅動液體流動，同步分析單一血液樣本中的cTnI、cTnT及cTnC。以纖維素為基底修飾的AgNPs具高度SERS活性，搭配具專一性的DNA適體，有效提升每一生物標誌物的結合親和力與選擇性。當適體與標的結合時，其構形改變會調節局部電磁場，進而產生濃度依賴的SERS訊號變化，達成靈敏且定量的檢測效果。此一平台不僅輕巧、成本低，且不需外接電源，特別適用於緊急醫療或資源有限地區的即時照護，為心血管疾病診斷開創具潛力的新契機。
關鍵字: 3D-μPAD, 適體晶片整合, 生物標誌物, 心肌肌鈣蛋白, 疾病診斷, 即時照護和 SERS

一、 背景
心血管疾病（CVD）是全球主要死因之一，約占總死亡人數的三分之一。尤其對於如心肌梗塞（MI）等疾病，早期且準確的診斷對於即時治療至關重要。其中，心肌肌鈣蛋白（cTnI與cTnT）已被廣泛認定為檢測心肌損傷最具特異性與敏感度的生物標誌物。然而，現行傳統實驗室檢測方法耗時且需倚賴複雜儀器，並不適合於偏遠或資源有限地區使用。
為克服上述限制，即時照護（POC）設備逐漸成為理想的替代方案，能以少量樣本進行快速現場診斷，特別適用於急診情境與資源匱乏的地區。進一步將奈米技術整合於POC平台中，則可大幅提升靈敏度與診斷效能。其中，表面增強拉曼散射（SERS）奈米感測器可放大分子訊號，實現極高靈敏度偵測。當結合具高選擇性的DNA或RNA適體作為辨識元件時，SERS適體感測器更可兼具高特異性、穩定性與成本效益，相對於傳統抗體式感測技術更具優勢。
本研究致力於將三維微流控紙基裝置（3D-μPAD）與奈米材料增強的SERS適體晶片整合，藉由毛細力驅動液體流動實現樣本自動傳輸處理，並透過適體辨識精準檢測心肌肌鈣蛋白，是一種攜帶式、效率高的診斷平台，可用於CVD快速篩檢與早期診斷，為全球心血管醫療帶來嶄新解決方案。

二、 製造技術
2.1. 基於納米材料的 SERS Aptasensors 晶片
本感測晶片採用兩步驟進行製備與功能化：
（1） SERS基材製備: 利用化學還原法直接在纖維素紙的三維基質上合成銀奈米顆粒（AgNPs），藉由還原銀離子並均勻沉積於紙張表面，製成具高靈敏度的SERS基底（AgNPs@Cellulose）。此法簡便、具成本效益，且具可擴展性，適合應用於奈米感測領域。
（2） 適體修飾固定：將具巰基（-SH）功能的心肌肌鈣蛋白專一性DNA適體固定於AgNPs@Cellulose基底。透過SH基團與銀顆粒間的強親和性，形成穩定共價鍵結，使晶片具備高度特異性與穩定性的SERS適體感測能力。此晶片可靈敏快速地檢測cTnI，為床旁心臟生物標誌物偵測提供理想選擇。
2.2. 基於 3D 紙材的微流控分析裝置 （3D-μPAD）
本3D-μPAD平台由多層結構組成，設計上注重樣品流動、分析分離與生物標誌物檢測的效率。平台內部設有多個偵測區，可於單一樣本操作下同步檢測多種標誌物。每一偵測區經由獨立設計的微流道連接，藉由毛細作用精確導引液體流動至各目標區，實現平行且隔離的分析流程。此設計具高度整合性，適合多重即時診斷需求，並可應用於便攜式裝置設計。

三、 檢測機制
本研究所開發的3D-μPAD SERS適體感測平台可用於偵測cTnI、cTnT與cTnC等心肌肌鈣蛋白標誌物，其運作原理如圖1所示。當目標分子與對應適體結合後，適體的立體構形會發生變化，進而改變銀奈米顆粒周圍的局部電磁場，導致表面增強拉曼散射（SERS）訊號產生濃度依賴性的變化。該機制可對複雜生物樣本中的心肌肌鈣蛋白進行高靈敏度與高選擇性的偵測。
為達成多重分析，本平台內嵌多組經適體功能化的SERS晶片，可同步偵測cTnI、cTnT與cTnC三種標誌物。每組感測器對其對應標的展現高度選擇性，且各偵測區所產生的SERS訊號變化明顯，提供可靠的定量結果。此系統能迅速且靈敏地即時偵測與急性心肌梗塞（AMI）相關之關鍵生物標誌物，具臨床應用潛力。

四、 潛在應用與未來發展
本研究開發的多重3D-μPAD診斷平台具有多項優勢，極適合應用於床旁診斷（POCT）。其設計輕巧、彈性高且具成本效益，便於製作為攜帶型或一次性裝置使用。此裝置依賴毛細作用進行液體傳輸與樣本分配，無需外部電源或泵浦設備，便能同時分析單一樣本中多種分析物。裝置設計具高度客製潛力，除醫療診斷外，亦可延伸應用於環境監測與食品安全檢測，為分散式現場分析需求提供一個多功能且可擴充的解決方案。

五、結論
本研究展示一個創新的多通道3D-μPAD平台，結合基於奈米材料的SERS適體感測晶片，能於照護現場快速、攜帶便利地偵測心肌肌鈣蛋白（cTnI、cTnT、cTnC）等生物標誌物。平台採用柔性紙基微流控裝置與高選擇性的適體識別機制，搭配銀奈米顆粒增強之SERS效應，實現高度靈敏且無需電力的多重檢測功能。其輕量、低成本、可快速部署的特性，尤適用於資源受限地區或緊急醫療應用。此診斷裝置為急性心肌梗塞（AMI）早期準確診斷提供一項具突破性的解決方案，具有提升臨床決策效率與促進個人化照護的潛力，對全球心血管健康成果將帶來重大助益。

參考文獻

1. Tharmaraj Vairaperumal, Devi Selvaraj and Ping-Yen Liu, Point-of-Care Technology for Portable Testing Devices: Nanomaterials-Based Optical Biosensors for Cardiovascular Disease Biomarkers, Elsevier- 1st Edition (2025). ISBN: 9780443330308; eBook ISBN: 9780443330315.
2. Tharmaraj Vairaperumal, P-T Lee and Ping-Yen Liu, Portable Point-of-Care Diagnosis Platforms and Emerging Predictive Biomarkers for Rapid Detection of Severe Dengue Viral Infection, ACS Sens. 2025, 10, 5, 3302–3316. 
3. Tharmaraj Vairaperumal and Ping-Yen Liu, Aptasensor-Based Point-of-Care Detection of Cardiac Troponin Biomarkers for Diagnosis of Acute Myocardial Infarction. Kaohsiung J. Med. Sci., 2025. e12932. 
4. Tharmaraj Vairaperumal, Z-Y. Tsai, and L. Ping-Yen, Emerging predictors by non-HDL-C/HDL-C ratio and novel biomarkers for coronary slow flow phenomenon. Acta Cardiol Sin. 2024, 40, 367-372. 
5. Tharmaraj Vairaperumal, H. Chih-Chia, and L. Ping-Yen, Optical Nanobiosensor-Based Point-of-Care Testing for Cardiovascular Disease Biomarkers. ACS Appl. Bio Mater. 2023, 6, 7, 2591-2613. 

作者資訊