一、應用於生物感測器的先進材料技術
在建構與製造高靈敏的生物感測器 (Biosensors)中，材料的選擇至關重要，也是新型感測裝置能發展為諸多應用的驅動條件之一，材料技術的發展也擴大了生物感測器技術在市場的存在。
2D材料 (如石墨烯)、導電性聚合物材料與奈米碳管，是常被用於發展生物感測器技術的先進材料(Advanced Materials)。先進材料被用於發展生物感測技術是因為具有優秀的物理、電學、光學與電化學特性與各項參數的可調性。此外，這些材料具有高密度的活性表面，可幫助增加感測生物分子的面積，進而增加檢測靈敏度。近幾年由於材料、製程與設備的整合使生物感測器的發展有相當大的進步。以下為三種應用於生物感測器的先進材料：

(一) 2D材料 (2D materals)
石墨烯 (Graphene) 是由碳原子組成六角形蜂窩晶格的單層碳材料，厚度為一個原子的2D材料。其物理與化學特性，如高機械強度、表面積大、具高導熱性、高彈性、高電子遷移率等，使其在生物感測器發展上被認為具有極大的潛力。石墨烯可被修飾上各種官能基，透過共價或非共價鍵結方式將上生物分子固定上石墨烯，當生物接收器被固定上石墨烯，就能成為適合用於生物感測器的材料。在石墨烯表面進行化學性的修飾後，就能使其具有生物相容性。石墨烯型生物感測器已經解決越來越多醫療問題，他們的特性也被應用於藥廠進行藥物傳遞的研究與發展。

(二) 聚合物材料 (Polymeric materials)
聚合物材料中能被用來發展生物感測器技術的包含導電性聚合物、複合材料與化學性列印材料等，其中導電性聚合物材料在生物感測器應用中正受到關注。導電性聚合物能修飾上各種官能基、奈米結構化或是鍵結上機能材料 (如奈米粒子)，應用於感測器能增加生物感測的靈敏度、賦予更高的選擇性、穩定度與重現性。導電性聚合物能夠被制定化學、電學與結構的性質，因此常被用於開發電化學生物感測器。這種使用導電性聚合物製成的生物感測器能應用於檢測大規模液態微生物中的離子與分子，此外也曾被用於檢測一氧化氮合成酶、谷氨酸、DNA與重金屬等。其製作成本低廉因此也在提供醫療信息與治療監測中開始嶄露頭角。

(三) 奈米碳管 (Carbon nanotube, CNT)
奈米碳管的表面能修飾上各種活性物質，能擁有良好的電化學特性。此外，奈米碳管有潛力能夠增強電子傳遞，因此被認為是製造電化學生物感測器的有利材料。奈米碳管的奈米特性也被用於開發新型的光學與電子生物感測器。奈米碳管型生物感測器具有高靈敏度、穩定、準確、反應快速且易於操作也被認為能夠發展為可攜式裝置，因此被視為優秀的生物醫學材料。此種生物感測器可用於偵測微量的細菌、寄生蟲或是病毒，也可被用於檢測食物、水或是其他汙染源中的生物危害。奈米材料的製造成本限制了生物感測器對於他的應用，若製程進步，使能夠大量製造則能降低成本。此外，奈米碳管型生物感測器具有高靈敏度，可測得分子層級的分析物，因此加速了這個技術的發展。預期在接下來的3-5年此技術能夠快速純熟，並能大量生產應用於各個層面。

二、市場影響與研究機構的投入
生物感測技術的開發受到市場需求的影響，不同的市場對於生物感測器的型式、應用或檢測需求等皆有所不同，例如在汽車工業中，穿戴式生物感測器能被嵌入方向盤或是安裝在駕駛座椅上，以即時性地偵測駕駛員的狀況，如睡意、血壓或心律。除了醫療照護與餐飲也是廣為人知的生物感測器市場外，近年來將生物感測器應用於軍事國防的需求也持續地被受關注。高靈敏且高選擇性的生物感測器被用於即時偵測具有威脅性的生物物質或稱生物戰劑 (Biological warfare agents, BWAs)，例如細菌、毒素或是病毒。這些市場的需求推動著生物感測的發展，也跟著推動其他技術的發展，如先進材料技術。有許多機構投入先進材料應用於生物感測器的研發創新，例如南韓慶北科學技術院 (DGIST)開發了一款基於石墨烯的吸附型生物感測器，團隊受頭足類的啟發，在感測器表面上設計小小的吸盤使感測器具有吸附力能夠吸附於皮膚上，用於偵測使用者的語音、心律與手腕運動。

三、使用先進材料開發生物感測晶片的創新產品案例
(一) Archer Materials
Archer Materials總部位於澳洲，主要專注於發展石墨烯型生物感測器技術，並利用積層製造 (Additive Manufacturing, 或指3D列印)技術，能快速建立且價格低廉的感測器雛型。Archer的生物晶片設計中使用了他們獨有的石墨烯材料製作關鍵的檢測元件，想透過此生物晶片解決呼吸系統疾病監測的問題。為了能使感測器擁有優越的電化學特性，Archer使用3D列印技術將石墨烯墨水 (Graphene inks)直接的列印在電極上，也透過3D列印技術列印水性抗原墨水 (water-based antigen inks)。Frost & Sullivan認為Archer已經開發了一系列獨有的石墨烯型材料，讓製程中省去使用具有毒性或是非生物相容性的化學物質，使生物感測與製程更具生物相容性，增加了能被偵測的生物分子範圍。目前Archer以石墨烯作為材料的感測器技術相關之各國專利申請已經由WIPO正式發行。

(二) Cardea Bio
Cardea Bio (以前為Nanomedical Diagnostic)，是第一個使用數位石墨烯型生物感測器製成做生物電晶體的美國製造與開發商。Cardea Bio的場效應生物感測 (Field effect Biosensing, FEB)專利技術是結合成熟的石墨烯場效電晶體 (Graphene Field Effect Transistor, gFETs)與生物場效電晶體 (Biological Field Effect Transistor, BioFETs)。FEB技術具有超高靈敏度，可直接偵測且快速地將生物系統中的交互作用數據化。Nanosens Innovations Inc (現今已與Cardea Bio合併)使用Cardea Bio的 FEB技術開發CRISPR晶片(CRISPR-Chip™)，能夠掃描基因組中的突變。此外，Cardea Bio開發基於生物門控電晶體 (Biology-gated transistors, Cardean transistors)的生物感測器，他們使用的石墨烯具有生物相容性與高導電性，對分子間的作用力非常靈敏。Cardea Bio將生物門控電晶體與CRISPR晶片結合，用以快速地偵測COVID-19，同時該裝置重量輕盈、可攜帶，並且可連接網路回傳檢測結果。Cardea Bio開發的電晶體-石墨烯型生物感測器同時擁有電子與光學生物感測器的優點，目前正被快速地發展為藥物開發的工具。Cardea Bio的FEB專利技術具有其獨特性與突破性，並且已經解決許多產業的挑戰，因此被認為能夠佔領大部份的市場。

(三) Grapheal
Grapheal係2019年由法國國家科學研究中心衍生出來的公司，主要專注於發展凝態物理技術。公司由材料科學、醫療、電子、生化與資訊工程等各領域團隊組成，有助於開發並整合嵌入式系統與新型數位生物感測技術，應用於遠端醫療監測與診斷。將石墨烯的物理與生物特性結合運用為Grapheal的核心技術，這間公司將石墨烯作為生物活性材料，開發一款穿戴式的皮膚貼片，並建立電子傷口模擬平台與生物檢測平台，能遠端進行傷口復合情況的監測。Frost & Sullivan相信這項技術能作為監測不同類型的慢性傷口的基準，例如壓瘡、腿部潰瘍和糖尿病足潰瘍。

(四) HeMemic Biotechnologies Inc.
HeMemic Biotechnologies Inc.位於美國，其主要開發HEMEICS平台幫助醫療人員快速的檢測病原菌。HeMemic使用奈米碳管材料開發微陣列生物感測器，透過量測電阻的變化，能夠在一滴血或是鼻拭子檢體中檢測出17種不同病原菌。HeMemic開發的生物感測器能協助醫生進行診斷，將診斷時間從數天縮短為60秒內，讓患者能更快速地獲得檢測結果，更有效率地接受治療。目前基於石墨烯與抗體的生物感測器儘管已優化，但僅三小時就會失去偵測細菌或蛋白質的能力。為此HeMemic開發的HEMSOL™溶劑，能解決生物感測器上奈米碳管-抗體保值期過短的問題且無須將裝置冷藏，此項技術已獲得專利。

(五) Sparc Technologies Limited
Sparc Technologies Limited 主要開發非侵入式的石墨烯型呼吸感測裝置，並與ARC Graphene Hub的五所頂尖大學合作，並獲得阿德雷德大學的石墨烯技術許可，計畫將石墨烯型生物感測器應用於環境監測、保護塗層與海洋工業。Sparc利用石墨烯材料的特性，能辨識與分離可作為疾病生物標記物的物質，用以疾病檢測。此外，石墨烯型呼吸感測裝置可偵測揮發性有機化合物，能監測與治療人類和動物的疾病。Sparc的可攜式的呼吸檢測裝置還位於相對早期的商業化階段，一旦完成商業化，則可以創造靈敏、快速且低成本的疾病檢測裝置。

四、結語
先進材料在生物感測器的應用上還有諸多發展機會，奈米科技材料的優勢推動遠端醫療監測的發展，奈米科技材料加強訊號雜訊比，並使生物感測器尺寸縮小，使檢測器可發展為穿戴型裝置與達到定點照護的需求。此外，先進材料的出現，也推動新型產品的開發，軟性混和電子(Flexible Hybrid Electronics, FHE)結合了傳統半導體裝置的可塑性與成本低廉的塑膠基板，讓感測器能建構在不平坦的表面，例如人體。生物感測器結合FHE能有更高精準度，可即時追蹤健康狀態或偵測環境的變化，瑞士的Nanoleq AG透過此項技術將開發一款能監測人體生硬徵象的智慧型紡織品。除了這些新型的技術，還有更多的新興技術正在發展中，透過不同領域的技術結合，能讓生物感測器技術更符合市場需求。