CN105675894B - 气体式微流体检测装置及其运作方法 - Google Patents

气体式微流体检测装置及其运作方法 Download PDF

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Abstract

本发明目的在于提供一种气体式微流体检测装置，其包含一动力模块以及一微流体平台。微流体平台具有微流体结构，而微流体结构进一步包含一注入槽、一处理槽、一气体槽、一溢流道、一阻挡件及至少一检测槽。其中，该气体槽中的气体可以在动力模块运作的情况下，推动液体朝离心力的反向运动。本发明另一目的在于提供一种气体式微流体检测装置的运作方法，其包含利用气体槽中的气体压力将样本传送至微流体结构中的不同区域。

Description

气体式微流体检测装置及其运作方法
【技术领域】
本发明关于一种气体式微流体检测装置及其运作方法，特别是指一种利用气体压力传送液体的气体式微流体检测装置及其运作方法。
【背景技术】
在传统检测中，样本前处理与样本定量是项费力繁琐的工作，需仰赖大型仪器与专业人员方能取得适合进行检测的样本。这些设备成本及人事成本大幅提高检测部门的建置门槛，往往只有研究机构或大型医院具备足够的能力及资金自行完成样本检测。相反地，处于第一线的小型实验室、诊所碍于成本，只能委托专业检验机构取得报告，如此一来一往的运输过程将耗费大量时间成本，同时容易导致样本变质、检测质量降低等问题。
为克服上述缺点，近年来市场上发展出一系列的实验室芯片(Lab-on-a-chip)产品，着重检验快速、仪器体积小、样本需求量小、成本低廉等优势。这趋势也推动近代近患者生物医学检测(Point-of-care Testing,POCT)的改革，使得实验室芯片亦可应用在事故现场替伤者做出快速检测，或是在偏远地区就近完成医疗服务。然而，对实验室芯片而言，样本前处理步骤与样本定量步骤依然是提升检验精准度的关键。
在目前可携式检测仪器中，常因缺乏有效的样本前处理的功能而导致实验室芯片的检测结果稳定度偏低。举例而言，生活中常见血脂肪检测器、血糖检测器等，尽管仪器本身具有小巧、快速、方便等优点，但碍于血液样本仅经过初步过滤，甚至未经过任何前处理便直接使用全血进行检测，故无法提供良好的检验精准度，检验结果参考价值低，不适合用在需要严谨数据判读、决定用药剂量、进行综合医疗评估的医疗场所。
在现有的样本前处理手段中，离心处理因其成本低廉且纯化快速等优势而在市场上占有大量比例；此外，离心处理可以广泛运用在不同的物质上，其不像过滤膜(filtermembrane)等前处理技术需针对不同过滤物添购不同规格的耗材。离心处理能利用密度差的原理快速纯化出所需的样本，借此提高检验准确度。举例而言，环保局人员可利用离心处理分离水质样本中的悬浮物后，进行水样色度测定。在另一个例子中，医检师可以利用离心处理分离尿液检体中的固体沉淀物后，取固体沉淀物于显微镜下分析尿液结晶物组成。
而在目前的实验室芯片上，样本定量的设计也是亟待改善的缺陷之一。在检测中，为维持检验的稳定度与准确度，样本皆须经过定量以减少操作过程中的误差或变因。实验室芯片的现有定量方式可分为人工定量以及机械定量两类定量方式。在人工定量的方式中，常因人为因素出现检测样本及试剂分配不均的问题，导致检测结果受到严重干扰。以三酸甘油酯检测为例，在一般状况下三酸甘油酯浓度被认为应小于200mg/mL。假设一血浆样本中三酸甘油酯的实际浓度为180mg/mL，但在检测过程因误差将8μL的血浆注入原应注入6μL的检测槽中的话，将导致检测出的三酸甘油酯浓度高达240mg/mL，并使原先健康的样本被误判为心血管疾病高危险群。而现有的机械定量方法中，大多利用毛细现象或蜡阀来大量分配液体，此作法亦有稳定度低以及蜡阀制作的技术难度的问题。
鉴此，目前依然缺乏一个操作简便、结构简单及稳定性高三者兼具的技术。
【发明内容】
为改善上述问题，本发明至少一实施例为一种气体式微流体检测装置，其具备操作简便、结构简单及稳定性高等优势。所述的气体式微流体检测装置包括一动力模块及一微流体平台。当微流体平台置于动力模块上时，可以受动力模块控制而旋转。其中，微流体平台上具有一旋转中心及至少一微流体结构，而每个微流体结构又进一步包括一注入槽、一处理槽、一气体槽、一溢流道、至少一检测槽及一阻挡件。注入槽设置于靠近旋转中心的位置，用以容置一溶液。相较于注入槽，处理槽则设置于微流体平台上较靠近外侧的位置，并与注入槽相连接；此外，处理槽又进一步分别连接气体槽及溢流道，并通过溢流道连接各个检测槽。而阻挡件则设置于处理槽及溢流道之间，可减缓未处理的液体流入检测槽的问题。
本发明至少一实施例为一种气体式微流体检测装置的运作方法。在进行检测前，可以先注入溶液至气体式微流体检测装置上的注入槽，并开始旋转微流体平台，使溶液在离心力的影响下自注入槽流入处理槽中。接着，提升微流体平台的旋转速度至一第一转速，以利用溶液对气体槽中的气体施以压力并压缩气体体积。最后，降低微流体平台的旋转速度至一第二转速，使气体膨胀并推动溶液至检测槽中。
本发明至少一实施例的特征在于样本前处理效果优异。气体式微流体检测装置能利用其中的动力模块快速纯化出检测所需的样本。其利用密度差的原理在短时间内分离出样本中的高密度物质与低密度物质，以改善样本前处理的结果。
本发明至少一实施例的特征在于可随时调整溶液倾注量。在微流体平台的制造过程中，可以通过改变处理槽及气体槽的体积、半径位置来控制样本倾注量。此外，在气体式微流体检测装置运作的过程中，亦可通过调整溶液体积或是调整第一转速及第二转速来实时调整溶液倾注量。
本发明至少一实施例的特征在于稳定性与重现性优异。气体式微流体检测装置能在样本前处理完后，通过气体槽中的气体统一推动溶液至检测槽中。将可减少人工取样所造成的误差，使各组检测槽的反应条件趋于一致，借此改善检测的稳定性及重现性。
本发明至少一实施例的特征在于操作简便快速。部分状况下，气体式微流体检测装置在提升转速及降低转速的一个循环中，即可完成溶液前处理及溶液分配。在提升转速的阶段中，气体式微流体检测装置利用离心力快速完成样本前处理，并在降低转速的阶段中，利用气体体积膨胀的现象来推动溶液平均分配至各个检测槽中。
本发明实施例中的微流体检测装置具备操作简便、结构简单及稳定性高等优势，除可用于生化检测及医学检测外，亦可使用于化学检测、水质检测、环保检测、食品检测及国防工业等范畴。
【附图说明】
图1A为本发明部分实施例的气体式微流体检测装置示意图。
图1B为本发明部分实施例的气体式微流体检测装置示意图用以解释组件连接关系。
图2为本发明部分实施例的微流体平台示意图。
图3A为本发明部分实施例的微流体结构示意图。
图3B为本发明部分实施例的微流体结构示意图。
图3C为本发明部分实施例的微流体结构示意图。
图4A为本发明部分实施例的阻挡件示意图。
图4B为本发明部分实施例的阻挡件示意图。
图4C为本发明部分实施例的阻挡件示意图。
图5A为本发明部分实施例的检测槽示意图。
图5B为本发明部分实施例的检测槽示意图。
图5C为本发明部分实施例的检测槽示意图。
图6A为本发明部分实施例的子微流体结构示意图。
图6B为本发明部分实施例的子微流体结构示意图。
图6C为本发明部分实施例的子微流体结构示意图。
图6D为本发明部分实施例的子微流体结构示意图。
图6E为本发明部分实施例的子微流体结构示意图。
图7为本发明部分实施例的气体式微流体检测装置操作方法流程图。
图8为本发明部分实施例的动力模块的旋转速度随时间变化示意图。
图9A-9E为本发明部分实施例的气体式微流体检测装置操作方法示意图。
【具体实施方式】
本发明至少一实施例为一种气体式微流体检测装置，其包含一动力模块及一微流体平台。其中，动力模块用以驱动并控制微流体平台的旋转。微流体平台则置于动力模块上，具备一旋转中心及至少一微流体结构，用以进行溶液前处理及溶液定量。每个微流体结构又进一步包含一注入槽、一处理槽、一气体槽、一溢流道、一阻挡件以及至少一检测槽。
图1A为本发明部分实施例的气体式微流体检测装置示意图。气体式微流体检测装置包含一动力模块10以及一微流体平台20。其中，动力模块10用以驱动并控制微流体平台20的旋转；微流体平台20则置于动力模块10上，其具备一旋转中心21及一周缘22，用以进行溶液前处理或溶液定量。图1B则为本发明部分实施例的气体式微流体检测装置示意图，用以解释图1A气体式微流体检测装置中各组件的连接关系。在图1B中，气体式微流体检测装置包含一动力模块10及一微流体平台20，两者之间为实体连接，而微流体平台20上则进一步设有至少一微流体结构40。
图1A中的动力模块10可以是离心机。当动力模块10运作时，将带动微流体平台20一起旋转。而微流体平台20旋转时的中心点即为旋转中心21。
图1A中的微流体平台20可以是圆形、方形及多角形等形状对称的盘片，而材质可以是聚乳酸(polylactide)、聚乙烯(polyethylene)、聚乙烯醇(polyvinyl alcohol)、聚丙烯(polypropylene)、聚苯乙烯(polystyrene)、聚碳酸酯(polycarbonate)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate)、聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane)、聚氯乙烯(polyvinylchloride)、聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate)、二氯乙烯(polyvinylidine chloride)、二氧化硅(silicon dioxide)或其组合。
如图1A及图1B所示，在部分实施例中气体式微流体检测装置可进一步包含一侦测模块30。其中，侦测模块30与动力模块10电性连接，用以侦测微流体平台20上的检测结果。侦测模块30视检验需求可为分光亮度计(spectrophotometer)、比色计(colorimeter)、浊度计(turbidimeter)、温度计(thermometer)、酸碱度计(pH meter)、电阻计(ohmmeter)、菌落计数器(colonometer)、感光组件(image sensor)或其组合。
图2为本发明部分实施例的微流体平台示意图。微流体平台20包含一旋转中心21以及一周缘22，而在旋转中心21及周缘22之间则设有一组微流体结构40。在其他实施例中，微流体平台20上可设有多个微流体结构40，且多个微流体结构40之间可以视检验需求制造成彼此独立或彼此连接互通。
图3A为本发明部分实施例的微流体结构示意图。在图3A的微流体结构40A中，其包含一注入槽410、一处理槽420、一气体槽430、一溢流道440、一阻挡件441及一检测槽450。微流体结构40A以近旋转中心21的位置为内侧，远离旋转中心21的位置为外侧，由内而外依序为注入槽410及处理槽420。处理槽420的左右两侧分别设置气体槽430与溢流道440，且处理槽420通过溢流道440连接检测槽450。其中，处理槽420与溢流道440之间设有一阻挡件441。然而，在部分实施例中，气体槽430与溢流道440可依需求设置在处理槽420的同侧，而非如图3A所示的左右两侧。
图3A中的注入槽410可以容置一第一检测溶液，例如试剂或样本。所称的试剂可以为缓冲溶液(buffer solution)、清洗液(wash buffer)、反应试剂(reagent)、溶剂(solvent)或显影剂(developer)，而样本可以为血液样本(blood)、尿液样本(urine)、唾液样本(saliva)、水质样本(water)或液态食品样本(liquid food)。其中，样本中可包含一高密度物质与一低密度物质，例如血液样本中的血球与血清、尿液样本中的尿蛋白与尿液，或是水质样本中的泥沙与水。
图3A中的处理槽420连接微流体结构40A中数个不同组件，用以进行样本前处理。处理槽420除连接注入槽410外，亦与气体槽430连接于第一连通处421，并与溢流道440连接于第二连通处422。当动力模块运作一段时间后，第一检测溶液中的物质会因离心力而依照密度梯度(density gradient)分布于微流体结构40A中。高密度物质主要沉淀于处理槽420底部，而低密度物质则悬浮在上层较靠近第二连通处422的位置。此外，如图3A所示，在部分实施例中，旋转中心21至第二连通处422的长度小于旋转中心21至第一连通处421的长度。
图3A中的气体槽430内含有一气体。当动力模块启动后，第一检测溶液会自注入槽410流入处理槽420中，并封闭第一连通处421，使气体槽430形成气密空间。当动力模块速度逐渐提升后，产生的离心力会通过第一检测溶液对气体槽430中的气体施予一压力，而气体槽430中气体则会随着压力增加而被逐渐压缩；相反地，当动力模块速度降低后，气体槽430中气体则因压力减小而逐步恢复原始体积。部分实施例中，所述气体在常温常压下，对第一检测溶液的溶解度低于20体积百分比。
图3A中的溢流道440为一微流道，用以连接处理槽420与检测槽450，使溶液得以在处理槽420及检测槽450之间流动。而如图3A所示，处理槽450与溢流道440之中设有一阻挡件441，用以减少第一检测溶液提前窜流入溢流道440及检测槽450的问题。举例而言，当第一检测溶液进入处理槽420的速度大于微流体结构40A的整体排气速度时，第一检测溶液易因处理槽420中的气压过大而不定向窜流，并提前泄漏至溢流道440及检测槽450中，导致检测反应的反应时间无法确实掌握。因此，在处理槽420与溢流道440之间设置一阻挡件441可减少第一检测溶液窜流、泼溅入溢流道440及检测槽450的问题。
图3A中的检测槽450可容置一检测材料，例如试剂、样本或试纸等检测相关所需材料。所称的试剂可以为缓冲溶液(buffer solution)、清洗液(wash buffer)、反应试剂(reagent)、溶剂(solvent)或显影剂(developer)，样本可以为血液样本(blood)、尿液样本(urine)、唾液样本(saliva)、水质样本(water)或液态食品样本(liquid food)，而试纸可以为石蕊试纸(litmus)、二氧化氯试纸(chlorine dioxide test)、水硬度试纸(waterhardness test strips)、血糖试纸(glucose test strips)、排卵试纸(ovulation teststrips)、胶体金试纸(colloid cold)、试纸或其他试纸。部分实施例中，当第一检测溶液自处理槽420流入检测槽450后，第一检测溶液即可在检测槽450中直接与检测材料产生反应并完成检测。
图3A仅为本发明部分实施例的微流体结构。在其他实施例中，微流体结构40A的各个组件可依检验需求或成本考虑等因素增减组件并调整其构造及形状。
图3B为本发明部分实施例的微流体结构示意图。在图3B的微流体结构40B中，其包含一注入槽410、一处理槽420、一气体槽430、一溢流道440、一阻挡件441、六个检测槽450、一储存槽460、一废液槽470及四个通气孔480。微流体结构40B以靠近旋转中心21的位置为内侧，远离旋转中心21的位置为外侧，由内而外依序为注入槽410、处理槽420及储存槽460。处理槽420的左右两侧分别设置气体槽430与溢流道440，且处理槽420通过溢流道440连接六个检测槽450及废液槽470。其中，处理槽420与溢流道440之间设有一阻挡件441。在部分实施例中，气体槽430与溢流道440可依需求设置在处理槽420的同侧，而非如图3B所示的左右两侧。
图3B中的处理槽420用以进行样本前处理，且与微流体结构40B中数个不同组件连接。如图3B的所示，处理槽420除连接注入槽410外，亦与气体槽430连接于第一连通处421、与溢流道440连接于第二连通处422，并与储存槽460连接于第三连通处423。在不同实施例中，处理槽420与微流体结构40B中其他组件的连接关系具有不同特征。举例而言，在部分实施例中，旋转中心21至第二连通处422的长度小于或等于旋转中心21至第三连通处423的长度；而在部分实施例中，第三连通处423设置于处理槽420的底部；又在部分实施例中，处理槽420与储存槽460通过一毛细管连接。
图3B中的储存槽460用以容置经动力模块运作后，自第一检测溶液中分离出的高密度物质。通过多槽设计，微流体结构40B可以将第一检测溶液中不同密度的物质分别隔离在处理槽420、储存槽460及其他槽室中，借此提升微流体结构50B的纯化效率。举例而言，在动力模块提升旋转速度的阶段中，第一检测溶液中的低密度物质会悬浮在处理槽420中，第一检测溶液中的高密度物质则会顺着离心力沉淀在储存槽460中。而动力模块后续在降低旋转速度的过程中，低密度物质会自气体槽430回流至处理槽420，而隔离在储存槽460中的高密度物质则不受微流体结构50B内侧回流的水流影响。
图3B中的溢流道440环绕着旋转中心21设置，两端则分别与处理槽420及废液槽470连接。此外，处理槽420至废液槽470之间沿途设有六个检测槽450，每个检测槽450亦与溢流道440连接。
图3B中的通气孔480用以排除多余气体，以平衡微流体结构40B中的内部压力。具体而言，第一检测溶液在微流体结构40B中移动的过程中会受到气压产生的阻力干扰，且第一检测溶液在移动过程中亦多少纳入些许气泡，而在微流体结构40B中设置通气孔480则可减少上述问题。在部分实施例中，通气孔480亦可视需求设置于微流体结构40B的其他位置，如注入槽410、处理槽420或废液槽470等位置上。
图3B中的废液槽470设置来容置多余的第一检测溶液。在动力模块降低转速的过程中，第一检测溶液会自处理槽420流入溢流道440中，并分配至与溢流道440相连的各个检测槽450；而超过检测槽450容量的第一检测溶液则会继续沿着溢流道440流入废液槽470中。
图3B仅为本发明部分实施例的微流体结构。在其他实施例中，微流体结构40B的各个组件可依检验需求或成本考虑等因素增减组件并调整其构造及形状。
图3C为本发明部分实施例的微流体结构示意图。在图3C的微流体结构40C中，其包含一注入槽410、一处理槽420、一气体槽430、一溢流道440、一阻挡件441、六个检测槽450、六个子微流体结构50、一储存槽460、一废液槽470及四个通气孔480。微流体结构40C以靠近旋转中心21的位置为内侧，远离旋转中心21的位置为外侧，由内而外依序为注入槽410、处理槽420及储存槽460。处理槽420的左右分别设置气体槽430与溢流道440，外侧则设有储存槽460。溢流道440的两端连接处理槽420及废液槽470，而处理槽420及废液槽470之间则设置六个检测槽450及六个子微流体结构50；其中，六个检测槽450及六个子微流体结构50皆连接至溢流道440上。
图3C中的子微流体结构50设置来容置第二检测溶液，例如试剂或样本。所称的试剂可以为缓冲溶液(buffer solution)、清洗液(wash buffer)、反应试剂(reagent)、溶剂(solvent)或显影剂(developer)，而样本可以为血液样本(blood)、尿液样本(urine)、唾液样本(saliva)、水质样本(water)或液态食品样本(liquid food)。在部分实施例中，子微流体结构的数量与位置配合检测槽设置；如图3C的实施例所示，子微流体结构50及检测槽450成对设置于溢流道440的内外两侧，而当动力模块运转的过程中，第二检测溶液会自子微流体结构50直接流入相对应的检测槽450中。然而，在其他实施例中，子微流体结构的数量及位置则与检测槽无关连；例如可设置一子微流体结构于处理槽及至少一检测槽之间，而当动力模块运转的过程中，第二检测溶液会自子微流体结构直接流入溢流道中，再通过溢流道分配至多个检测槽内。
图3C仅为本发明部分实施例的微流体结构。在其他实施例中，微流体结构40C的各个组件可依检验需求或成本考虑等因素增减组件并调整其构造及形状。
图4A为本发明部分实施例的隐藏式阻挡件示意图。隐藏式阻挡件441A是处理槽420及溢流道440之间的一块挡板，其向微流体盘片外侧延伸以遮蔽溢流道440。当第一检测溶液自注入槽流入处理槽420的过程中，可能会泄漏与处理槽420相连接的溢流道440。特别是在当第一检测溶液进入处理槽420的速度大于微流体结构的整体排气速度时，第一检测溶液易因处理槽420中的气压过大而不定向窜流，并泄漏至溢流道440中，导致检测反应的反应时间无法确实掌握。因此，在处理槽420与溢流道440之间设置隐藏式阻挡件441A可在不大幅影响溶液流动方向的前提下减少溶液窜流、泼溅入溢流道440的问题。
图4B为本发明部分实施例的斜板式阻挡件示意图。斜板式阻挡件441B是处理槽420及溢流道440之间的一块挡板，其向处理槽420内部侧向延伸以遮蔽溢流道440。当第一检测溶液自注入槽流入处理槽420的过程中，可能会窜流或灌入与处理槽420相连接的溢流道440。因此，在处理槽420与溢流道440之间设置斜板式阻挡件441B可引导第一检测溶液的水流方向，使水流方向偏离溢流道440，以免第一检测溶液提前流入溢流道440中。相对地，当动力模块速度降低，使得第一检测溶液自气体槽430中回流至处理槽420时，处理槽420中上升的水流反而会被斜板式阻挡件441B引导入溢流道440中。
图4C为本发明部分实施例的双斜板式阻挡件示意图。双斜板式阻挡件441C是处理槽420及溢流道440之间的两块挡板，其向处理槽420内部侧向延伸以遮蔽溢流道440。当第一检测溶液自注入槽流入处理槽420的过程中，可能会窜流或灌入与处理槽420相连接的溢流道440；此外，当第一检测溶液自注入槽流入处理槽420的速度过高时，触及壁面或液面的第一检测溶液会回弹、泼溅入溢流道440中。因此，设置双斜板式阻挡件441C后，双斜板式阻挡件441C中较靠近微流体盘片内侧的挡板能引导第一检测溶液的水流方向，使水流方向偏离溢流道440，以免第一检测溶液提前流入溢流道440中；而双斜板式阻挡件441C中较靠近微流体盘片外侧的挡板则能阻挡第一检测溶液泼溅入溢流道440的问题。在不同实施例中，双斜板式阻挡件441C的两块挡板长度可视需求具有不同长度；举例而言，双斜板式阻挡件441C中较靠近微流体盘片内侧的挡板长度可大于双斜板式阻挡件441C中较靠近微流体盘片外侧的挡板长度。
图5A为本发明部分实施例的检测槽示意图。检测槽450A与溢流道440相连接，其包含一定量槽451A及一反应槽453A。在此实施例中，定量槽451A与溢流道440相连接，而反应槽453A又与定量槽451A相连接。当溶液自处理槽流入溢流道440时，溶液便会顺着溢流道440流入定量槽451A及反应槽453A中。
图5A的部分实施例中，反应槽453A与定量槽451A通过一微流道连接彼此，使得检测槽450A形成类似沙漏的结构；其中，反应槽453A上未设有任何通气孔。在此实施例中，当溶液自处理槽流入溢流道440时，溶液便会顺着溢流道440流入定量槽451A中，并受外力影响而滞留在定量槽451A之中。所述的外力包含溶液在微流道处形成的表面张力以及反应槽453A中的气体压力。因此，当动力模块施与的离心力大于溶液的表面张力及反应槽453A中的气体压力时，溶液才会自定量槽451A流入反应槽453A中。
图5B为本发明部分实施例的检测槽示意图。检测槽450B与溢流道440相连接，其包含一定量槽451B、一微流阀452B以及一反应槽453B。在此实施例中，定量槽451B与溢流道440相连接，而反应槽453B又通过微流阀452B与定量槽451B相连接。当溶液自处理槽流入溢流道440时，溶液便会顺着溢流道440流入定量槽451B中，并受外力影响而滞留在定量槽451B之中而不流入反应槽453B内。所述的外力为溶液在微流阀452B处形成的表面张力。由于微流阀452B两侧具有多个毛细管，故溶液流经微流阀452B时会因大量的液气接触面而产生较高的表面张力，使得溶液滞留于微流阀452B处。因此，当动力模块施与的离心力大于溶液的表面张力时，溶液才会突破微流阀452B并流入反应槽453B中，而突破微流阀452B时的旋转速度即为微流阀452B的突破频率(burst frequency)。
图5C为本发明部分实施例的检测槽示意图。检测槽450C与溢流道440相连接，其包含一定量槽451C、一微流阀452C以及一反应槽453C。在此实施例中，定量槽451C与溢流道440相连接，而反应槽453C又通过微流阀452C与定量槽451C相连接。所述的微流阀452C两侧具有多个毛细管，且毛细管的封闭端较开放端靠近微流体盘片的旋转中心21；因此，微流阀452C可以避免溶液在从定量槽451C流入反应槽453C的过程中涌入毛细管内的问题。
图6A为本发明部分实施例的子微流体结构示意图。相较于溢流道440，子微流体结构50A设置于微流体盘片的内侧，并与溢流道440相连接。在图6A中，子微流体结构50A包含一子注入槽510A，可供容置第二检测溶液，例如试剂或样本。在动力模块运作的过程中，子注入槽510A内的第二检测溶液可在离心力的影响下流入溢流道440中。
图6B为本发明部分实施例的子微流体结构示意图。在图6B中，子微流体结构50B包含子注入槽510BA、子注入槽510B、子处理槽520B及子气体槽530B。其中，子注入槽510A及子注入槽510B可供容置第二检测溶液及第三检测溶液。在动力模块运作的过程中，子注入槽510A内的第二检测溶液会在离心力上升的过程中，因离心力的影响而流入溢流道440中；而子注入槽510B内的第三溶液会在离心力上升的过程中流入子处理槽520B及子气体槽530B中，并在离心力下降的过程中受子气体槽530B的气体推动而流入溢流道440中。因此，图6B的子微流体结构50B可达成第二检测溶液及第三检测溶液依序、分阶段释放的效果。然而，在其他实施例中，可视需求通过调整子微流体结构构造、溶液体积、旋转速度等条件来改变第二检测溶液及第三检测溶液释放的时间及顺序。
图6C为本发明部分实施例的子微流体结构示意图。在图6C中，子微流体结构50C包含子注入槽510A、子注入槽510B、子注入槽510C、子处理槽520B、子处理槽520C、子气体槽530B及子气体槽530C。其中，子注入槽510A、子注入槽510B及子注入槽510C可分别容置第二检测溶液、第三检测溶液及第四检测溶液。当动力模块运作时，子注入槽510A内的第二检测溶液会受离心力影响而流入溢流道440中；同时，子注入槽510B及子注入槽510C内的第三检测溶液及第四检测溶液则会分别流入子处理槽520B及子处理槽520C内。在后续离心力下降的过程中，第三检测溶及第四检测溶液再依序自子处理槽520B及子处理槽520C流入溢流道440中。在不同实施例下，第二检测溶液、第三检测溶液及第四检测溶液释放的时间及顺序可视实验需求通过调整子微流体结构构造、子微流体结构与旋转中心的半径、溶液体积、旋转速度等条件来改变。因此，图6C的子微流体结构50C可达成第二检测溶液、第三检测溶液及第四检测溶液依序、分阶段释放的效果。
图6D为本发明部分实施例的子微流体结构示意图。在图6D中，子微流体结构50D包含子注入槽510D、子处理槽520D、子气体槽530D、子溢流道540D、子阻挡件541D、子暂存槽550D、子废液槽570D以及子通气孔580D；其中，子暂存槽550D包含子定量槽551D及子微流阀552D，且子暂存槽550D连接符溢流道540D及溢流道440。在图6D中，子注入槽510D可供容置第二检测溶液，例如试剂或样本。当动力模块运作时，子注入槽510D内的第二检测溶液会在离心力上升的过程中流入子处理槽520D及子气体槽530D中，并在离心力下降的过程中受子气体槽530D中的气体推动而流入子溢流道540D中。当第二检测溶液填满子定量槽551D后，多余的第二检测溶液便会流入子废液槽570D中。而子定量槽551D内的第二检测溶液则会在动力模块的旋转速度提升至子微流阀552D的突破频率时，自子定量槽551D流入溢流道440中。
图6E为本发明部分实施例的子微流体结构示意图。在图6E中，子微流体结构50E包含子注入槽510E、子处理槽520E、子气体槽530E、子溢流道540E、五个子暂存槽550E、子废液槽570E以及子通气孔580E。其中，子溢流道540E环绕着旋转中心21设置，且子溢流道540E两端分别连接符处理槽520E及子废液槽570E；而五个子暂存槽550E则设置于子处理槽520E及子废液槽570E间，每个子暂存槽550E的两端则连接着子溢流道540E及溢流道440。此外，每个子暂存槽550E各包含一子定量槽551E及一子微流阀552E。
在图6E中，子注入槽510E可供容置第二检测溶液，例如试剂或样本。当动力模块运作时，子注入槽510E内的第二检测溶液会在离心力上升的过程中流入子处理槽520E及子气体槽530E中，并在离心力下降的过程中受子气体槽530E的气体推动而流入子溢流道540E中。当第二检测溶液填满五个子定量槽551E后，多余的第二检测溶液便会流入子废液槽570E中存放；而五个子定量槽551E中的第二检测溶液则会在动力模块的旋转速度提升至子微流阀552E的突破速率时，各自流入溢流道440中。
图6A-6E仅为本发明部分实施例的子微流体结构。在其他实施例中，子微流体结构中的组件可依检验需求选用微流体结构相对应的组件，亦可依成本等因素考虑调整子微流体结构构造形状，或是结合不同实施例中的子微流体结构特征。
图7为本发明部分实施例的运作流程图。在第一个步骤中，可先注入第一检测溶液至气体式微流体检测装置上的注入槽。接着，旋转气体式微流体检测装置上的微流体平台，以使第一检测溶液自注入槽流入处理槽中。当微流体平台的旋转速度逐渐提升至一第一转速时，旋转产生的离心力大于气体槽中气体的气压，使得第一检测溶液不断压缩气体槽中气体的体积直到离心力与气体压力达到平衡。其后，当微流体平台的旋转速度降低至一第二转速时，气体槽中的气体压力反过来大于旋转产生的离心力，并开始膨胀并推动第一检测溶液至检测槽中。
在部分实施例中，图7运作流程图以图1B的气体式微流体检测装置及图3A的微流体结构40A执行。第一个步骤中，可先注入第一检测溶液至气体式微流体检测装置的注入槽410中。接着，旋转气体式微流体检测装置上的微流体平台20，以使第一检测溶液自注入槽410流入处理槽420中。当微流体平台20的旋转速度逐渐提升至一第一转速时，第一检测溶液压缩气体槽430中气体的体积。其后，当微流体平台20的旋转速度降低至一第二转速时，气体槽430中的气体压力反过来大于旋转产生的离心力，并开始膨胀并推动第一检测溶液至检测槽450中。在部分实施例中，若检测槽450中已预置检测所需的其余检测材料，则可待第一检测溶液与检测材料反应完毕后，再使用人工或侦测模块30等方法侦测、判读反应结果。
在部分实施例中，本发明的运作流程可进一步包含一决定步骤，该决定步骤是在决定第一转速及第二转速的值。由于降低旋转速度至第二转速的过程中，一预定体积的第一检测溶液会被倾注至溢流道内，而该预定体积的大小与第一转速及第二转速之间的转速差呈正相关。故可通过调整第一转速或第二转速的方式改变该预定体积的大小。
图8为本发明部分实施例的动力模块的旋转速度(angular velocity)随时间变化示意图。如图7的操作流程图所述，动力模块开始运作时，动力模块从静止的状态开始旋转并带动微流体平台产生离心力。随后，动力模块的旋转速度攀升至一第一旋转速度，并维持在第一旋转速度一段时间。接着动力模块的旋转速度降至一第二旋转速度，并同样维持在第二旋转速度一段时间。当检测程序完成后，动力模块的旋转速度再逐渐下降并结束检测。
图9A-9E为本发明部分实施例的气体式微流体检测装置操作方法示意图。图9A-9E的微流体结构40设置于图1B的气体式微流体检测装置上；其中如图9A所示，该微流体结构40包含一注入槽410、一处理槽420、一气体槽430、一溢流道440、一检测槽450及一储存槽460。
在图9B中，气体式微流体检测装置在进行检测前，可先注入第一检测溶液60至微流体平台20上的注入槽410中。所述的第一检测溶液60中包含一低密度物质61与一高密度物质62。
在图9C中，动力模块10已提升旋转速度至第一旋转速度。在提升旋转速度的过程中，第一检测溶液60受离心力影响自注入槽410流入处理槽420及储存槽460中。其中，在第一旋转速度下，由于产生的离心力大于气体槽430中的气体压力，故第一检测溶液60亦会流入气体槽430中并压缩气体槽430中气体的体积直至离心力与气体压力达成平衡。此外，当动力模块10运作一段时间后，第一检测溶液60中的物质会因离心力而依照密度梯度(density gradient)分布于微流体结构40中。其中，高密度物质62主要容置于较靠近微流体平台20外侧的储存槽460，而低密度物质61则主要容置于相邻、较靠近旋转中心21的处理槽420。
在图9D中，动力模块10逐渐降低旋转速度至第二旋转速度。在旋转速度降低的过程中，离心力亦随之逐渐减弱，而气体槽430中的气体则开始膨胀并排挤气体槽430内的第一检测溶液60。
在图9E中，动力模块10的旋转速度已降至第二旋转速度。在气体槽430中的气体压力反过来大于离心力的情况下，气体槽430内的第一检测溶液60则会受气体压力推动回流至处理槽420内，使得处理槽420中第一检测溶液60的液面上升并涌入检测槽450内。其中，由于第一检测溶液60中的高密度物质62主要储存在外侧的储存槽460，而处理槽420及气体槽430中的第一检测溶液60则以低密度物质61为主，故回流至处理槽420并涌入检测槽450的第一检测溶液60主要为低密度物质61。
牛乳品质检测
本发明一实施例是以图1B的气体式微流体检测装置进行牛乳质量检测；其中，气体式微流体检测装置采用图3B的微流体结构40B及图5A的侦测槽450A。气体式微流体检测装置在进行检测前，可先注入200μL牛乳至微流体平台20上的注入槽410中，并在六个反应槽453A中分别置入葡萄糖试纸(glucose test strip)、乳蛋白试纸(lactoprotein teststrip)、酸碱值试纸(pH test strip)、测钙试纸(calcium test strip)、四环霉素试纸(tetracycline test strip)及氯霉素试纸(chloramphenicol test strip)。
在动力模块10提升旋转速度至5000RPM的过程中，牛乳会受离心力影响自注入槽410流入处理槽420、气体槽430及储存槽460。在5000RPM下旋转100秒后，牛乳不仅会流入气体槽430内压缩气体槽430中气体的体积，牛乳中较重的凝块及微生物等杂质便会因为离心力而分布于储存槽460中，而乳蛋白等沉淀系数(sedimentation coefficient)较低的物质则留置在内侧的处理槽420及气体槽430中。
当动力模块10降低旋转速度至500RPM时，气体槽430中的气体则开始膨胀并排挤气体槽430内的牛乳，使80μL牛乳溢入溢流道440中并沿着溢流道440流入六个定量槽451A。其中，六个定量槽451A具有相同的体积，各可以盛装7μL牛乳，而多余的牛乳则继续沿着溢流道440进入废液槽470中。
待牛乳分配完毕后，动力模块10再次提升旋转速度至2000RPM以加强离心力，直至定量槽451A中牛乳突破反应槽453A内的气体压力并流入反应槽453A中。最后，再借由人工或是光学侦测模块30判读牛乳与试纸的反应结果。
三酸甘油酯检测
本发明一实施例是以图1B的气体式微流体检测装置进行三酸甘油酯检测。本实施例气体式微流体检测装置包含五个图3A的微流体结构40A及一个图6E的子微流体结构50E；其中，子微流体结构50E通过五个子暂存槽550E分别连接五个微流体结构40A的溢流道440，而每个微流体结构40A皆包含一个图5C的检测槽450C。此外，在此实施例中，微流阀452C的突破频率(burst frequency)为1500RPM，而子微流阀552E的突破频率则为2300RPM。
当气体式微流体检测装置在进行检测前，可自五个试管中各取15μL的血液样本，每个血液样本各注入一个注入槽410中；子注入槽510E内则注入105μL的三酸甘油酯试剂。当动力模块10提升旋转速度至4500RPM时，血液样本会受离心力影响自注入槽410流入处理槽420、气体槽430及储存槽460，而三酸甘油酯试剂则会自子注入槽510E流入子处理槽520E及子气体槽530E。
在4500RPM下旋转约135秒后，血液样本及三酸甘油脂试剂不仅会压缩气体槽430及子气体槽530E中气体的体积，血液样本中的血球等高密度物质62亦会因离心力而沉淀于储存槽460中，而血清等低密度物质61则留置在内侧的处理槽420及气体槽430中。
当动力模块10降低旋转速度至1200RPM时，子气体槽530中气体的膨胀量率先达到门限值并推动三酸甘油脂试剂至子溢流道540E中。三酸甘油脂试剂则沿着子溢流道540E流入五个子定量槽551E。其中，每个子定量槽551E各可盛装15μL的三酸甘油脂试剂，而多余的三酸甘油脂试剂则继续沿着子溢流道540E进入子废液槽570E中。
待三酸甘油脂试剂分配完毕后，动力模块10再次提升旋转速度至2300RPM，使得子定量槽551E中的三酸甘油脂试剂依序突破子微流阀552E及微流阀452C并进入反应槽453C。接着，当动力模块10再次降低旋转速度至500RPM时，换气体槽430中气体的膨胀量达到门限值并推动血清至定量槽451C中。最后，再次提升旋转速度至1500RPM，使血清突破微流阀452C并进入反应槽453C中，待反应完毕后再借由侦测模块30判读血清与三酸甘油脂试剂的反应结果。
酵素活性分析
本发明一实施例是以图1B的气体式微流体检测装置检测酵素活性分析。本实施例气体式微流体检测装置包含一个图3C的微流体结构40C、六个图5C的检测槽450C及六个图6B的子微流体结构50B；其中，六个检测槽450C与六个子微流体结构50B系成对设置在溢流道440的内外两侧，而各检测槽450C中微流阀452C的突破频率皆为2300RPM。
在此实施例中，气体式微流体检测装置在进行检测前，可自试管中取200μL的血液样本至注入槽410中，并在六个子注入槽510A中则各注入35μL的缓冲液；六个子注入槽510B则分别注入麸草醋酸转胺脢(AST)受质、丙胺酸转胺酶(ALT)受质、麸胱甘肽过氧化酵素(GPX)受质、淀粉酵素(amylase)受质、碱性磷酸脢(ALP)受质、胆道酵素(GGT)受质各15μL。
当动力模块10提升旋转速度至5000RPM时，血液样本会受离心力影响自注入槽410流入处理槽420，受质则自子注入槽510B流入子处理槽520B，而缓冲液则会自子注入槽510A流入对应的反应槽453C中。在5000RPM下旋转约85秒后，血液样本及六个受质不仅会压缩气体槽430及子气体槽530B中气体的体积，血液样本中的血球等高密度物质62亦会因离心力而沉淀于储存槽460中，而血清等低密度物质61则留置在内侧的处理槽420及气体槽430中。
当动力模块10降低旋转速度至1200RPM时，子气体槽530B中气体的膨胀量率先达到门限值并个别推动5.5μL受质进入对应的定量槽451C中；当旋转速度再次上升至2300RPM后，受质突破微流阀452C进入反应槽453C中与缓冲液混和。
其后，当动力模块10降低旋转速度至100RPM时，气体槽430中气体的膨胀量亦达到门限值并推动50μL血清进入溢流道440中。其中，六个定量槽451C具有相同的体积，各可以盛装6μL血清，而多余的血清则继续沿着溢流道440进入废液槽470中。
待血清分配完毕后，动力模块10再次提升旋转速度至2300RPM以加强离心力，直至定量槽451C中血清突破微流阀452C进入反应槽453C中与缓冲液及受质混和。最后，再借由人力或侦测模块30判读六项酵素活性分析的结果。
以上实施方式仅为说明本发明的技术思想及特点，目的在于使熟习此技艺的人士能充分了解本创作的内容并能据以实施之，并不能以此限定本创作的专利范围，若依本创作所揭示精神所为的均等变化或修饰，仍应涵盖在本创作的专利范围内。
【符号说明】
10···动力模块
20···微流体平台
21···旋转中心
22···周缘
30···侦测模块
40、40A、40B、40C···微流体结构
410···注入槽
420···处理槽
421···第一连通处
422···第二连通处
423···第三连通处
430···气体槽
440···溢流道
441、441A、441B、441C···阻挡件
450、450A、450B、450C···检测槽
451A、451B、451C···定量槽
452B、452C···微流阀
453A、453B、453C···反应槽
460···储存槽
470···废液槽
480···通气孔
50A、50B、50C、50D、50E···子微流体结构
510A、510B、510C、510D、510E···子注入槽
520B、520C、520D、520E···子处理槽
530B、530C、530D、530E···子气体槽
540D、540E···子溢流道
541D···子阻挡件
550D、550E···子暂存槽
551D、551E···子定量槽
552D、552E···子微流阀
570D、570E···子废液槽
580D、580E···子通气孔
60···第一检测溶液
61···低密度物质
62···高密度物质

Claims (17)

1.一种气体式微流体检测装置，其特征在于，包括：
一动力模块(10)；以及
一微流体平台(20)，置于该动力模块(10)上，并受该动力模块(10)控制旋转，其中该微流体平台(20)具有一旋转中心(21)及至少一微流体结构(40)，而该至少一微流体结构(40)包含：
一注入槽(410)；
一处理槽(420)，与该注入槽(410)相连接；
一气体槽(430)，与该处理槽(420)连接于第一连通处(421)；
一溢流道(440)，与该处理槽(420)连接于第二连通处(422)，其中该第二连通处(422)设有一阻挡件(441)，该阻挡件(441)由至少一档板组成，该至少一档板向处理槽(420)侧向延伸遮蔽该溢流道(440)；以及
至少一检测槽(450)，与该溢流道(440)相连接。
2.如权利要求1所述的气体式微流体检测装置，其特征在于，该至少一微流体结构(40)进一步包含：
一储存槽(460)，与该处理槽(420)相连接。
3.如权利要求2所述的气体式微流体检测装置，其特征在于，该旋转中心(21)至该第一连通处(421)的距离大于该旋转中心(21)至该第二连通处(422)的距离。
4.如权利要求1所述的气体式微流体检测装置，其特征在于，该至少一微流体结构(40)进一步包含：
一废液槽(470)，与该溢流道(440)相连接。
5.如权利要求4所述的气体式微流体检测装置，其特征在于，该检测槽(450)进一步包含：
一定量槽(451)，与该溢流道(440)相连接；
一微流阀(452)，与该定量槽(451)相连接；以及
一反应槽(453)，与该微流阀(452)相连接。
6.如权利要求1所述的气体式微流体检测装置，其特征在于，该至少一微流体结构(40)进一步包含：
至少一通气孔(480)，与该溢流道(440)相连接。
7.如权利要求1所述的气体式微流体检测装置，其特征在于，该至少一微流体结构(40)进一步包含至少一子微流体结构(50)，而该至少一子微流体结构(50)包含：
一子注入槽(510)，与该溢流道(440)相连接。
8.如权利要求7所述的气体式微流体检测装置，其特征在于，该子注入槽(510)与该溢流道(440)之间进一步包含：
一子处理槽(520)，与该子注入槽(510)相连接；
一子气体槽(530)，与该子处理槽(520)连接；
一子溢流道(540)，与该子处理槽(520)连接；以及
至少一子暂存槽(550)，连接该子溢流道(540)与该溢流道(440)。
9.如权利要求8所述的气体式微流体检测装置，其特征在于，每个子暂存槽(550)进一步包含：
一子定量槽(551)，与该子溢流道(540)相连接；以及
一子微流阀(552)，连接该子定量槽(551)与该溢流道(440)。
10.如权利要求1所述的气体式微流体检测装置，其特征在于，该阻挡件(441)可以为隐藏式阻挡件、斜板式阻挡件或双斜板式阻挡件。
11.一种气体式微流体检测装置的操作方法，其特征在于，其步骤包含：
(a)注入一第一检测溶液(60)至一气体式微流体检测装置上的一注入槽(410)，其中该气体式微流体检测装置为权利要求1所述的气体式微流体检测装置；
(b)旋转该气体式微流体检测装置上的一微流体平台(20)，以使该第一检测溶液(60)自该注入槽(410)流入一处理槽(420)，并由一阻挡件(441)遮蔽一溢流道(440)；
(c)提升旋转速度至一第一转速，以利用该第一检测溶液(60)压缩一气体槽(430)中的一第一气体；
(d)降低旋转速度至一第二转速，以利用该第一气体推动该第一检测溶液(60)并由该阻挡件(441)引导流至一检测槽(450)。
12.如权利要求11所述的气体式微流体检测装置的操作方法，其特征在于，步骤(a)中的该第一检测溶液(60)包含一高密度物质(62)与一低密度物质(61)。
13.如权利要求12所述的气体式微流体检测装置的操作方法，其特征在于，步骤(c)中该高密度物质(62)及该低密度物质(61)依照密度梯度分布于该微流体结构(40)中。
14.如权利要求12所述的气体式微流体检测装置的操作方法，其特征在于，步骤(d)中该第一气体推动该低密度物质(61)至该检测槽(450)。
15.如权利要求11所述的气体式微流体检测装置的操作方法，其特征在于，步骤(d)中该第一气体推动一预定体积的该第一检测溶液(60)至该检测槽(450)。
16.如权利要求11所述的气体式微流体检测装置的操作方法，其特征在于，该气体式微流体检测装置进一步包含一子微流体结构(50C)，而该子微流体结构(50C)包含：
一子溢流道，与该检测槽(450)相连接；
一第一子注入槽(510C)，内置有一第二检测溶液；
一第一子处理槽(520C)，与该第一子注入槽(510C)以及该子溢流道相连接；
一第一子气体槽(530C)，与该第一子处理槽(520C)相连接，内置有一第二气体；
一第二子注入槽(510B)，内置有一第三检测溶液；
一第二子处理槽(520B)，与该第二子注入槽(510B)以及该子溢流道(540B)相连接；以及
一第二子气体槽(530B)，与该第二子处理槽(520B)相连接，内置有一第三气体。
17.如权利要求16所述的气体式微流体检测装置的操作方法，其特征在于，步骤进一步包含：
(e)降低旋转速度至一第三转速，以利用该第二气体推动该第二检测溶液至该检测槽(450)；以及
(f)降低旋转速度至一第四转速，以利用该第三气体推动该第三检测溶液至该检测槽(450)。
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