利用表面電漿共振感測器生物晶片的生物親和力開發偵測塑膠微粒技術

自二十世紀初以來,人類一直在生產合成聚合物或「塑膠」,並且在過去的七十餘年,年生產率指數呈增長趨勢。儘管大部分的廢棄物被掩埋、回收或焚燒,但估計有12至18%的塑膠廢物因管理不善與隨意棄置而最終進入環境。由於塑膠的彈性與合成性質不會明顯分解,最終會不斷地分裂成越來越小的碎片。現階段研究雖有限,但可確定的是環境中的塑膠微粒會影響土壤與植物生成、改變微生物群落組成、或被生物群消耗。此外,塑膠微粒及其相關污染物不可避免地會被人類食用而轉移至食物鏈,並作為污染物的載體。這些都可能會對健康產生不利影響,導致健康受損與死亡率的增加。有鑑於這些初步發現,塑膠微粒在自然環境中的積累和運輸可能對生態系統與人類健康產生負面影響。

塑膠微粒如何累積與傳遞於海洋和河流系統,已有廣泛研究,但對於大氣中塑膠微粒的運輸與來源等議題日漸受到關注。空氣中塑膠微粒以極低濃度的狀態存在,已有文獻指出,每立方公尺所存在的塑膠微粒約為0.3~1.5顆。本院生醫工程與奈米醫學研究所董國忠副研究員團隊以開發塑膠微粒的偵測技術為目的,利用表面電漿共振感測器(surface plasmon resonance, SPR)測量塑膠粒子與生物分子間的生物親和力(bio-affinity),開發了偵測微米級粒子的即時偵測技術。結果顯示,利用SPR偵測超低濃度的特性並結合雌激素受體(estrogen receptors,ERs),能精準捕捉一顆塑膠微粒的動態特性。此技術可偵測濃度已接近空氣中塑膠粒子的濃度,未來可望即時偵測空氣中塑膠濃度的變化。

表面電漿共振是屬於光學感測式生物感測器的一種,1970年開始便廣泛應用在檢測微量氣體或是生物分子。SPR具有無需對待測物進行螢光標定,以及能夠達到即時偵測生物反應的優點,對於研究生物分子間的反應之機構有相當大的幫助。當粒子通過晶片微流道時,由於粒子不溶於溶質且粒徑(~20,000 nm)遠大於可偵測範圍(~200 nm),粒子的分布便不會很均勻的存在,此種溶質不均勻分布的狀態稱為非均相狀態。在偵測10至100顆粒子時,在可偵測範圍與不在偵測範圍的比值呈現一種指數型的濃度效應關係,換算後靈敏度可達f(10-15)M;然而,當粒子數少於10顆時,可在特定的時間偵測到單顆粒子的蹤跡。由於塑膠微粒能夠吸附有害物質,並且通常含有添加劑如內分泌干擾化學品(EDCs),對生物體造成不利影響,而「類雌激素化合物」是塑膠微粒上的主要EDC,其中一個主要來源便是來自塑膠微粒製造時所添加。雌二醇(β-Estradiol)為一種天然小分子,屬於類雌激素化合物之一種,會與雌激素受體專一性結合(KD = 68.81 pM)。由於塑膠微粒上會有上述小分子存在,因此假設會間接與塑膠微粒結合,所以在實驗設計上視同為與塑膠微粒結合。

董博士研究團隊利用上述所開發的技術偵測微米級粒子的技術,並結合雌激素受體(ER),已可以在第60秒時精準捕捉到單顆平均粒徑為20μm塑膠微粒,並利用塑膠微粒間結合力差異性進行定性識別及定量分析,為現今普遍使用的技術中最大的突破。研究成果已發表於國際頂尖期刊Biosensors(2021;11(7):219)。

圖:ERs/SPR塑膠微粒偵測示意圖

參考文獻:

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文/圖:生醫工程與奈米醫學研究所黃乾吉博士後研究員、董國忠副研究員

 

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