CN108007849A - 光诱导介电泳装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光诱导介电泳装置，包含光诱导介电泳晶片与不透光卡匣。光诱导介电泳晶片包含第一电极层、第二电极层、半导体层与流道层。流道层定义交会于会合处的第一流道、第二流道与第三流道，分别用以引导流体、第一微粒子与第二微粒子。流道层还定义包含会合处的投射区域，用以使图案化光源投射在投射区域上，借以引导位于会合处内的第一微粒子与第二微粒子分别朝向第二流道与第三流道移动。本发明所提供的光诱导介电泳装置可对包含不同微粒子的流体进行分选，进而利于后续分析仪器对微粒子进行分析。

Description

光诱导介电泳装置
技术领域
本发明是有关于一种光诱导介电泳装置，且特别是有关于一种利用光诱导介电泳力来对于包含不同微粒子的流体进行分选的光诱导介电泳装置。
背景技术
医学检验是利用各种医学分析仪器来对微粒子进行分析，并以分析结果来辅助评估生物体的生理状态。若欲对单一微粒子进行分析，则需先将包含不同微粒子的流体进行分选。若是微粒子分选的效果不佳，则将造成后续分析仪器受到严重影响而降低分析结果的准确性。
有鉴于此，一种利用光诱导介电泳力(light induced dielectrophoresis；LIDEP)来使微粒子泳动的操控技术被广泛研究，其必须在一个具有光导材料的晶片上进行，其操控方式主要是将光学图形投射在晶片上，借此产生光诱导介电泳力而使微粒子泳动，此种微粒子操控技术可简化传统生物检体前处理的繁复过程。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种光诱导介电泳装置，其可对包含不同微粒子的流体进行分选，进而利于后续分析仪器对微粒子进行分析。
根据本发明的上述目的，提出一种光诱导介电泳装置，用以对包含多个第一微粒子和多个第二微粒子的流体进行分选处理。光诱导介电泳装置包含光诱导介电泳晶片与不透光卡匣。光诱导介电泳晶片包含第一电极层、第二电极层、半导体层和流道层。第二电极层与第一电极层相对设置，半导体层设置于第一电极层上，流道层设置于第二电极层与半导体层的间。流道层定义交会于会合处的第一流道、第二流道和第三流道，分别用以引导流体、第一微粒子和第二微粒子。流道层还定义包含会合处的投射区域，用以使图案化光源投射在投射区域上，从而改变产生于第一电极层与第二电极层的间的电场，借以引导位于会合处内的第一微粒子与第二微粒子分别朝向第二流道与第三流道移动。不透光卡匣包覆光诱导介电泳晶片，不透光卡匣具有开口，开口在流道层的垂直投影与投射区域重叠。
在一些实施例中，上述第一电极层与第二电极层包含透明导电材料。
在一些实施例中，上述半导体层包含间接能隙(indirect bandgap)材料，且半导体层的晶体结构为非晶、微晶、多晶或单晶。
在一些实施例中，上述流道层的厚度大约为30微米至150微米，且投射区域的尺寸大约为1毫米×1毫米至10毫米×10毫米。
在一些实施例中，上述流道层还定义注入开口、第一流出开口和第二流出开口，其中流体经由注入开口注入至第一流道，第一微粒子经第二流道从第一流出开口流出，且第二微粒子经第三流道从第二流出开口流出。
在一些实施例中，上述光诱导介电泳晶片还包含第一缓冲层与第二缓冲层，其中第一电极层设置于第一缓冲层上，且第二缓冲层设置于第二电极层上。
在一些实施例中，上述光诱导介电泳晶片还包含上基板和下基板，上基板设置于第二缓冲层上，第一缓冲层设置于下基板上。
在一些实施例中，上述上基板与下基板为透明基板。
在一些实施例中，上述第一缓冲层用以增强第一电极层与下基板之间的晶格匹配(lattice match)，且第二缓冲层用以增强第二电极层与上基板之间的晶格匹配。
在一些实施例中，上述不透光卡匣具有注入接口、第一流出接口和第二流出接口，其中注入接口用以使得流体注入至光诱导介电泳晶片，第一流出接口用以使得第一微粒子流出至光诱导介电泳晶片外，且第二流出接口用以使得第二微粒子流出至光诱导介电泳晶片外。
附图说明
从以下结合所附图式所做的详细描述，可对本发明的态样有更佳的了解。需注意的是，根据业界的标准实务，各特征并未依比例绘示。事实上，为了使讨论更为清楚，各特征的尺寸都可任意地增加或减少。
图1A是绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳装置的剖面结构图。
图1B是绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳装置的倒视立体图。
图2是绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳晶片的流道层的平面图。
图3A至图3G是绘示依据本发明实施例的各种图案化光源的图案示意图。
图4A是绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳晶片中未受到图案化光源的投射下的电场分布示意图。
图4B是绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳晶片中受到图案化光源的投射下的电场分布示意图。
图5A是绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳晶片中未受到图案化光源的投射下的第一微粒子与第二微粒子的分布示意图。
图5B是绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳晶片中受到图案化光源的投射下的第一微粒子与第二微粒子的分布示意图。
具体实施方式
本发明提供了许多不同的实施例或例子，用以实作此公开的不同特征。为了简化本发明，一些元件与布局的具体例子会在以下说明。当然，这些仅仅是例子而不是用以限制本发明。例如，若在后续说明中提到了第一特征形成在第二特征上面，这可包括第一特征与第二特征是直接接触的实施例；这也可以包括第一特征与第二特征之间还形成其他特征的实施例，这使得第一特征与第二特征没有直接接触。此外，本发明可能会在各种例子中重复图示符号及/或文字。此重复是为了简明与清晰的目的，但本身并不决定所讨论的各种实施例及/或设置之间的关系。
再者，在空间上相对的用语，例如底下、下面、较低、上面、较高等，是用来容易地解释在图示中一个元件或特征与另一个元件或特征之间的关系。这些空间上相对的用语除了涵盖在图示中所绘的方向，也涵盖了装置在使用或操作上不同的方向。这些装置也可被旋转(例如旋转90度或旋转至其他方向)，而在此所使用的空间上相对的描述同样也可以有相对应的解释。
请参照图1A，是绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳装置10的剖面结构图。光诱导介电泳装置10包含光诱导介电泳晶片100与不透光卡匣200。光诱导介电泳晶片100包含下基板110、第一电极层120、半导体层130、流道层140、第二电极层150和上基板160。下基板110为可透光的透明基板，例如玻璃基板或塑胶基板等，但本发明不限于此。
第一电极层120设置于下基板110上，其包含透明导电材料，例如氧化铟锡(indiumtin oxide；ITO)、氧化铟锌(indium zinc oxide；IZO)或其他类似的导电材料。
第二电极层150设置于流道层140上，其包含透明导电材料，例如氧化铟锡、氧化铟锌或其他类似的导电材料。上基板160设置于第二电极层150上，其为可透光的透明基板，例如玻璃基板或塑胶基板等，但本发明不限于此。
半导体层130设置于第一电极层120上，其包含间接能隙材料，例如硅、锗或其他类似的材料。且半导体层130的晶体结构为非晶、微晶、多晶或单晶。
光诱导介电泳晶片100用以对包含不同微粒子的流体进行分选处理。在本发明的一些实施例中，微粒子可以是生物细胞、空气微粒、水中杂质或介电粉末等。若将包含第一微粒子和第二微粒子的流体注入至光诱导介电泳晶片100后，当光诱导介电泳晶片100受到光源投射时，光诱导介电泳晶片100会受到光源的影响而改变其内部电场的分布，使得第一微粒子和第二微粒子受到不同的介电泳力(dielectrophoresis force；DEP force)作用而移动至不同处。如此一来，注入至光诱导介电泳晶片100的流体中的第一微粒子和第二微粒子可被分选出。
流道层140设置于半导体层130上。请一并参照图2，是绘示光诱导介电泳晶片100的流道层140的平面图。流道层140定义注入开口142、第一流出开口144、第二流出开口146、第一流道143、第二流道145和第三流道147，且第一流道143、第二流道145、第三流道147交会于会合处A。流体经由注入开口142而注入至流道层140中。第一流道143用以引导注入的流体流向会合处A。若于会合处A流体中的第一微粒子和第二微粒子受到内部电场改变的作用而使得第一微粒子和第二微粒子往不同的方向移动，借此引导第一微粒子从会合处A往第二流道145的方向移动，且引导第二微粒子从会合处A往第三流道147的方向移动。如此一来，当流体经由注入开口142连续地注入至流道层140中时，便可透过第二流道145引导第一微粒子从第一流出开口144流出至光诱导介电泳晶片100外，且通过第三流道147引导第二微粒子从第二流出开口146流出至光诱导介电泳晶片100外。
请回到图1A，不透光卡匣200位于光诱导介电泳晶片100最外部以包覆光诱导介电泳晶片100。此外，不透光卡匣200的顶面S1具有注入接口IN、第一流出接口OUT1和第二流出接口OUT2，其中注入接口IN用以提供流体注入至注入开口142的途径，第一流出接口OUT1用以提供第一微粒子由第一流出开口144流出至光诱导介电泳晶片100外的途径，且第二流出接口OUT2用以提供第二微粒子由第二流出开口146流出至光诱导介电泳晶片100外的途径。应注意的是，不透光卡匣200的注入接口IN、第一流出接口OUT1和第二流出接口OUT2在垂直投影的方向上的位置分别与流道层的注入开口142、第一流出开口144和第二流出开口146互为一致。
请再参照图2，流道层140还定义投射区域P，用以使图案化光源投射在投射区域P上，其中投射区域P包含会合处A。在本发明的一些实施例中，投射区域P的尺寸大约为1.5毫米×1.5毫米，但本发明不限于此。
请参照图1B，是绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳装置10的倒视立体图。不透光卡匣200的底面S2具有开口210。开口210在流道层140的垂直投影与投射区域P重叠，因此图案化光源通过开口210得以投射进入流道层140的投射区域P。应注意的是，不透光卡匣200是由不透光的材质制成，因此除了通过开口210而投射进入光诱导介电泳晶片100的图案化光源之外，可能造成干扰的其余光源被阻隔在光诱导介电泳晶片100之外。
值得一提的是，图案化光源的图案可以有各种变化，所述图案是与光诱导介电泳晶片100相互搭配，从而使得光诱导介电泳晶片100的流体中的第一微粒子和第二微粒子得以被分选出。图3A至图3G是绘示依据本发明实施例的各种图案化光源的图案示意图，其包含梯状图案、剪刀图案、复合图案、T&S图案和诱发图案等。应注意的是，图3A至图3G所绘示的图案仅为例示，而在实际的操作上，可依据各操作因素，例如第一微粒子与第二微粒子的组合或光诱导介电泳晶片100中流道层140的结构等，来改变所投射的图案化光源，亦即，图案化光源的图案不以图3A至图3G所绘示的图案为限定。
在本发明的一些实施例中，下基板110和上基板160的厚度约为0.7毫米，第一电极层120和第二电极层150的厚度介于50纳米至500纳米之间，半导体层130的厚度约为介于1微米至2微米之间，优选为1.2微米，流道层140的厚度介于30微米至150微米之间，优选为50微米。此外，在一些实施例中，第一流道143与第二流道145之间的夹角约为169度，第二流道145与第三流道147之间的夹角约为22度，第一流道143、第二流道145和第三流道147的宽度介于800微米至1000微米之间，且注入开口142、第一流出开口144和第二流出开口146的口径约为1.1毫米，投射区域的尺寸介于1毫米×1毫米至10毫米×10毫米，优选为1.5毫米×1.5毫米。应注意的是，光诱导介电泳晶片100中各元件的厚度、宽度和夹角等数值可根据实际需求而对应调整，并不以上述数值为限。
请回到图1A，光诱导介电泳晶片100还包含第一缓冲层170与第二缓冲层180。第一缓冲层170设置于第一电极层120与下基板110之间，第二缓冲层180设置于第二电极层150与上基板160。其中第一缓冲层170用以增强第一电极层120与下基板110之间的晶格匹配，且第二缓冲层180用以增强第二电极层150与上基板160之间的晶格匹配。换句话说，第一缓冲层170用以使得第一电极层120优选地贴附于下基板110上方，第二缓冲层180用以使得第二电极层150更佳地贴附于上基板160下方。
图4A和4B分别绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳晶片100中未受到图案化光源的投射下及受到图案化光源的投射下的电场分布示意图。如图4A所示，第一电极层120和第二电极层150外接电源AC，使得第一电极层120与第二电极层150之间具有电场。在本发明的一些实施例中，电源AC提供交流电压，其中交流电压的峰对峰值约为介于1伏特至50伏特之间，优选为介于15伏特至25伏特之间，且交流电压的频率约为介于1千赫兹至1亿赫兹之间，优选为介于10万赫兹至100万赫兹之间，但本发明不限于此。在光诱导介电泳晶片100中未受到图案化光源的投射下，如图4A所示，第一电极层120和第二电极层150之间为均匀电场，第一微粒子C1和第二微粒子C2不会往特定的方向移动。在光诱导介电泳晶片100中受到图案化光源的投射下，如图4B所示，第一电极层120和第二电极层150之间的电场分布产生改变，使得第一微粒子C1受到正介电泳力(positive DEP force)D1的作用而移动至图案化光源的投射处，且第二微粒子C2受到负介电泳力(negative DEPforce)D2的作用而移动至图案化光源的投射处外。
以下以白血球细胞和癌症细胞(包含大肠癌细胞、肺癌细胞和乳癌细胞)的分选为例说明。请参照图5A和5B，其中图5A是绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳晶片100中未受到图案化光源的投射下的第一微粒子C1与第二微粒子C2的分布示意图，而图5B是绘示依据本发明实施例的光诱导介电泳晶片100中受到图案化光源的投射下的第一微粒子C1与第二微粒子C2的分布示意图。其中，流体包含第一微粒子C1(如癌症细胞)和第二微粒子C2(如白血球细胞)，且流体由注入接口IN注入至流道层140中。为方便说明，在图5A和5B中并未将上基板110和下基板160绘示出。在光诱导介电泳晶片100未受到图案化光源的投射下，如图5A所示，第一微粒子C1和第二微粒子C2在流道层140中为均匀分布。在光诱导介电泳晶片100受到图案化光源的投射下，如图5B所示，在图案化光源的投射处具有较强电场，使得第一微粒子C1受到正介电泳力作用而移动至图案化光源的投射处，且第二微粒子C2受到负介电泳力作用而移动至图案化光源的投射处外。如此一来，便可使得第一微粒子C1往第一流出接口OUT1的方向移动，且当流体经由注入接口IN连续地注入至流道层140中时，第一微粒子C1便可经由第一流出接口OUT1流出。
在本发明的一些其他实施例中，可以连续性地改变所投射的图案化光源，使得第一微粒子和第二微粒子更有效地往不同方向移动，借以优化分选结果。在本发明的一些其他实施例中，光诱导介电泳装置的注入接口可连接至泵，使得使用者可调整流体注入光诱导介电泳晶片的流速，例如，流速介于10微升/每分钟至500微升/每分钟之间，借以优化分选结果。
综上所述，本发明的光诱导介电泳装置可分离出不同的微粒子，进而利于后续分析仪器对微粒子的分析。
以上概述了数个实施例的特征，因此本领域技术人员可以更了解本发明的实施形态。本领域技术人员应了解到，其可轻易地把本发明当作基础来设计或修改其他的工艺与结构，借此实现和在此所介绍的这些实施例相同的目标及/或达到相同的优点。本领域技术人员也应可明白，这些等效的建构并未脱离本发明的精神与范围，并且他们可以在不脱离本发明精神与范围的前提下做各种的改变、替换与变动。

Claims (10)

1.一种光诱导介电泳装置，用以对流体进行分选处理，所述流体包含多个第一微粒子和多个第二微粒子，其特征在于，所述光诱导介电泳装置包含：
光诱导介电泳晶片，包含：
第一电极层；
第二电极层，其中所述第二电极层与所述第一电极层相对设置；
半导体层，设置于所述第一电极层上；以及
流道层，设置于所述第二电极层与所述半导体层之间，所述流道层定义第一流道、第二流道和第三流道，其中所述第一流道、所述第二流道和所述第三流道分别用以引导所述流体、所述多个第一微粒子和所述多个第二微粒子，且所述第一流道、所述第二流道和所述第三流道交会于会合处；其中所述流道层还定义包含所述会合处的投射区域，用以使图案化光源投射在投射区域上，从而改变产生于所述第一电极层与所述第二电极层之间的电场，其中所述电场引导位于所述会合处内的所述多个第一微粒子和所述多个第二微粒子分别朝向所述第二流道和所述第三流道移动；以及
不透光卡匣，包覆所述光诱导介电泳晶片，其中所述不透光卡匣具有开口，所述开口在所述流道层的垂直投影与所述投射区域重叠。
2.如权利要求1所述的光诱导介电泳装置，其特征在于，所述第一电极层与所述第二电极层包含透明导电材料。
3.如权利要求1所述的光诱导介电泳装置，其特征在于，所述半导体层包含间接能隙材料，且所述半导体层的晶体结构为非晶、微晶、多晶或单晶。
4.如权利要求1所述的光诱导介电泳装置，其特征在于，所述流道层的厚度为30微米至150微米，且所述投射区域的尺寸为1毫米×1毫米至10毫米×10毫米。
5.如权利要求1所述的光诱导介电泳装置，其特征在于，所述流道层还定义注入开口、第一流出开口和第二流出开口，其中所述流体经由所述注入开口注入至所述第一流道，所述多个第一微粒子经所述第二流道从所述第一流出开口流出，且所述多个第二微粒子经所述第三流道从所述第二流出开口流出。
6.如权利要求1所述的光诱导介电泳装置，其特征在于，所述光诱导介电泳晶片还包含：
第一缓冲层，其中所述第一电极层设置于所述第一缓冲层上；以及
第二缓冲层，设置于所述第二电极层上。
7.如权利要求6所述的光诱导介电泳装置，其特征在于，所述光诱导介电泳晶片还包含：
上基板，设置于所述第二缓冲层上；以及
下基板，其中所述第一缓冲层设置于所述下基板上。
8.如权利要求7所述的光诱导介电泳装置，其特征在于，所述上基板与所述下基板为透明基板。
9.如权利要求6所述的光诱导介电泳装置，其特征在于，所述第一缓冲层用以增强所述第一电极层与所述下基板之间的晶格匹配，且所述第二缓冲层用以增强所述第二电极层与所述上基板之间的晶格匹配。
10.如权利要求1所述的光诱导介电泳装置，其特征在于，所述不透光卡匣具有注入接口、第一流出接口和第二流出接口，其中所述注入接口用以使得所述流体注入至所述光诱导介电泳晶片，所述第一流出接口用以使得所述多个第一微粒子流出至所述光诱导介电泳晶片外，且所述第二流出接口用以使得所述多个第二微粒子流出至所述光诱导介电泳晶片外。
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