利用雙閘極敏感場效應電晶體結合氫離子選擇膜以及濾膜流道進行細菌濃縮與抗生素藥敏性檢測

Abstract

"細菌抗藥性檢測 (Antimicrobial susceptibility test, AST) 是目前評估血流感染 (Bloodstream infection, BSI) 用藥最常使用的方法之一。但目前使用的細菌抗藥性檢測技術需要繁瑣的樣品處理流程及複雜的檢測系統，使整個流程需要二至三天的時間，難以提供即時的藥物決策，錯失有效治療的黃金時期且亦可能會產生抗藥性菌株。為解決上述問題，我們藉由量測微生物的醣類代謝造成菌液的酸化程度來評估細菌的生長情況。本研究選擇表面由高介電常數的二氧化鉿 (HfO2) 組成之雙閘極離子敏感場效電晶體 (Dual-gate ion-sensitive field-effect transistor, DG-ISFET) 量測菌液酸化，因其高介電常數的氧化金屬和雙閘極的結構，能夠在測量的過程中防止漏電流的產生，減少電流飄移 (drifting effect) 所產生的訊號干擾。此外，我們將DG-ISFET結合質子選擇性膜 (Proton selective membrane, PSM) 提高對氫離子之選擇性以避免培養液中其他離子訊號的干擾。此外，我們使用多孔性濾膜來濃縮菌液，增加細菌濃度進而縮短檢測時間。為驗證上述構想，我們首先使用不同 pH 標準液來評估不同 PSM厚度下的DG-ISFET的解析度 (sensitivity) 及穩定性 (stability)。接著進行離子場效電晶體式細菌抗藥性檢測 (ISFET-AST)的測試，主要分為兩個階段進行。第一階段進行無流道細菌抗藥性測試 (Off-chip AST)，目的為驗證PSM在實際細菌樣本中訊號改善的效果，在這個實驗中，直接將250微升 (µL) 的菌液滴在DG-ISFET進行測量。結果顯示此系統可在 30 分鐘內區分不具抗藥性和具抗藥性的大腸桿菌 (Escherichia coli) 菌株，達成執行快速AST的目標，PSM也能夠改善訊號干擾的情況，使用較少的抗生素便能測量出細菌的抗藥性。第二階段則結合0.22微米孔徑的濾膜流道，加入1000 µL的菌液進行菌液濃縮後執行ISFET-AST，結果顯示濃縮的菌液訊號約有兩至三倍的提升，和濃縮的體積成正比。期望未來能將這種可攜式的檢測系統設備用來進行即時和連續性的細菌抗藥性檢測，並將其應用於醫療資源有限或是定點照護的環境中。"