解析▪新創技術
光譜儀縮小一萬倍!微型光柵光譜晶片為光譜檢測迎來新變革!
2022-10-06

台科大柯正浩副教授團隊利用創新微型凹面光柵搭配先進製程將1700個微型凹面光柵排列於晶片上,突破30年來光譜儀尺寸限制,並大幅降低光譜儀檢測工具的生產成本。而基於光譜晶片所開出的可攜式檢測儀器TOI,更是挾帶四大優勢,盼將檢驗從醫院走進家庭...

光譜學為二十世紀以來最重要的學科之一,主要是利用光波去探測物質的組成,分析反應後不同波長的變化,即可以分析出物質的特性。光譜儀的應用範圍非常的廣泛,可以用來分析物質成份、量測反應濃度變化等等,而成為醫事檢驗中不可或缺的重要儀器之一。但自光譜儀問世以來,儘管應用至許多臨床檢驗的工具,如:分光光度計、免疫分析儀與呈色分析儀等等,但受限於光譜儀體積龐大笨重、價位昂貴等要素,造成這些檢測儀器不易攜帶,也無法普及至家庭。把光譜儀縮小,便成為全世界科學界最前緣、最尖端的研究課題。

柯正浩副教授研發光譜晶片 體積為傳統光譜儀的萬分之一

「親愛的,我把光譜儀縮小了!」台科大柯正浩副教授透過多年的研究利用微型凹面光柵(每個凹面光柵約為紅血球大小)取代傳統光譜儀中分光光柵與反射鏡的功能,再搭配先進製程將1700個微型凹面光柵排列於晶片上(晶片約為一片手指甲大小),進而突破光譜儀30年來的現行尺寸,將其體積縮小約至現行尺寸的萬分之一(約一張SD卡的大小),並衍生新創公司神光晶片。而神光這張光譜晶片更是為光譜儀技術發展寫下新的篇章,透過光譜儀微型化的技術可以使傳統以光譜儀為核心製造的機械設備小型與輕便化。

柯教授所發明的 “次奈米光學系統晶片製程技術” (Sub-nm Optical System-on-Chip) 開發及整合了三項全球首創的新技術: (1) 次奈米製程技術;(2) 超深寬比結構;(3) 超微型波導光路,突破了目前半導體製程的極限,開創出製造複雜光學系統晶片的新方法。

※神光所研發的光譜晶片體積僅傳統光譜儀的萬分之一。(照片來源:神光晶片)

傳統上光譜儀生產過程由於相當精密、繁瑣,導致產量有限與生產成本昂貴,因此價格不斐,一個光譜儀售價約為30萬新台幣(約1萬美元)。而以光譜儀為核心生產的臨床檢驗設備售價更是高達數百萬,因此只有高端研究與檢驗單位能夠負擔得起。過去兼顧原有性能與突破傳統體積限制的技術常因製造技術門檻較高而伴隨著造價昂貴的缺點(如: 傳統電腦 vs. 筆記型電腦的記憶體),但神光晶片透過類晶圓製造製程生產光譜晶片,不但大幅提升產量(約為現行光譜儀製程的1000倍以上),更能降低生產成本至原本製程的10%以下且良率更高達95%。

※神光晶片光譜晶片的製程優勢。(照片來源:神光晶片)

神光可攜式光譜健康檢測儀掌握四大優勢 將檢驗從醫院走進家庭

神光晶片利用專利光譜晶片結合免疫分析儀、分光光度計與呈色分析儀開發出突破性醫療檢驗設備「The ONE InstantCare 可攜式光譜健康檢測儀 (TOI)」。TOI奠基於光譜檢測的各項優勢加上微型化帶來的可攜便利性,主要掌握準、快、省、廣四大特色,盼望能將檢驗從大型醫院走進偏鄉與家庭。

  • 精準測量:TOI的核心光譜晶片雖是透過微製程,但其結構與效能相較目前主流廠牌的光譜儀不相上下,體積卻更小。檢驗結果比使用濾波片的檢驗設備更為精確。在COVID-19抗體檢測的臨床實驗中,TOI所展現出極佳的精準度,對照PCR的結果,其吻合度為100% (共180例)。

※TOI COVID-19抗體檢測臨床實驗結果。(照片來源:神光晶片)

  • 速度更快:TOI從採檢到報告產生15分鐘內即可完成,而且隨用隨測,不受限於時間以及地點。由於只須採用指尖全血滴入快篩試劑中即可檢測,亦可大幅減少採檢以及血液離析等步驟。
  • 成本更低:傳統光譜儀的製造過程屬於精密組裝,因此耗時、費工,造價成本昂貴,且無法大量生產。神光晶片所開發之光譜晶片生產製程利用類晶圓的生產方式,可達到量產規模,使生產成本大幅下降至傳統光譜儀的1/10。而其檢測的標的可利用快篩試劑測得定量結果,也會使檢測成本大幅降低。
  • 應用廣泛:TOI的檢測機制還是依照傳統光譜儀分析化學方法論進行,屬於平台技術。因此:醫學檢測、食品安全、工業安全、環境量測等等皆可應用。目前神光已經完成COVID-19抗體、抗原、中和抗體的全系列檢測平台,並針對:血液、尿液常規檢測、心肌炎指標CK-MB、萊克多巴胺、三聚氰胺等檢驗項目展開臨床實驗,濃度可測至 0.15 ppb及180 pg/mL以下。

※系列報導:

※本文由生策中心新創幫編輯群採訪撰寫(口述:神光晶片 執筆:陳柏翔)。如有引用,請確實註明出處來源。

 

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