TW201219292A - Liquid dielectrophoretic device - Google Patents

Description

201219292 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種液體介電泳裝置及一種利用介電 泳裝置輸送液體的方法。 【先前技術】 微流體系統（Microfluidic system )，或稱為微流體晶片 (Microfluidic chip)等，為目前廣泛被研究且極具價值的 一項產品。微流體系統具有諸多優點，例如反應速度快、 敏感度高、再現性高、成本低、污染低等，所以其被廣泛 地應用在生物、醫藥、光電等領域。微流體系統的液體驅 動方式包括機械式與電動能式（electrokinetic)。電動能式包 括電滲流與液體介電泳（liquid dielectrophoresis)等。

Shin-Kang Fan 等人（“Reconfigurable liquid pumping in elec trie-field-defined virtual microchannel by dielectrophoresis’’，Lab Chip, pp. 1590-1595，vol_ 9，2009)揭 露一種如圖1所示的液體介電泳裝置。該液體介電泳裝置 包括一上電極板21與一下電極板22。該上、下電極板21 ，22共同界定出一可容納一液體100的微流道20(液體的邊 界受微流道20内的電場所限制，並沒有實體的牆限制該液 體）。該微流道20的邊界由該下電極22的形狀所界定出。 該下電極22具有相對的一第一端部221與一第二端部222 。當該液體100注入於該第一端部221上且施加一電場於 該微流道20時，承載於該第一端部221的液體100會以介 電泳的方式迅速地往該第二端部222流動而形成一液柱。 201219292 上述液體介電泳裝置雖可提供—種微流道2〇以驅動液體 100抓動⑮其流動速度不能被有效地控制。上述文獻的揭 露内容是以參考的方式結合入树明中。 【發明内容】 本發明之目的，即在提供一種可以有效地控制 液體流動速度的液體介電泳裝置。本發明也提供—種利用 一介電泳裝置輸送液體的方法。 於疋，根據本發明的一層面，該液體介電泳裝置包含 ’第$載單70,界定出一可容納一液體的第一承載微 空間，並具有一電極組合用以在該第一承載微空間内產生 。第電場，該電極組合具有一第一電極區；一第二承載 單元，界定出一可容納該液體的第二承載微空間，並具有 P電極組合用以在該第二承載微空間内產生一第二電場， 該第二承载單元的電極組合具有一第二電極區以及一流 體通道單元，界定出—微流道，並具#—電極組合用以在 δ Μ机道内產生一電場，該流體通道單元的電極組合具有 -中間電極區’該中間電極區具有—第一擴大端部、一第 擴大端部、及一連接該第一擴大端部與該第二擴大端部 的中間段，該中間段具有兩端，該第一擴大端部與該第二 擴大端。卩分別間隔地緊鄰該第一電極區與該第二電極區， 且其等的寬度分別自該中間段的兩端朝該第一電極區與該 =二電極區逐漸擴大。藉此，在該第一電場低於該第二電 昜時可將該液體以介電泳方式從該第一承載微空間經由 該微流道輪送至該第二承載微空間，而在該第一電場高於 201219292 該第二電場時，可}μ . 將忒液體以介電泳方式從該第二承載微 空間經由該微流道輸送至該第-承載微空間。 根，另；t面，本發明的液體介電泳裝置包含：一第 -承載單7G ’界定出一可容納一液體的第一承載微空間， 並具有-電極組合用以在該第一承載微空間内產生一第一 電場，該第-承载單元的電極組合具有-第-電極區；一 第了承載單兀’界定出一可容納該液體的第二承載微空間 ’並具有-電極組合用以在該第二承載微空間内產生一第 -電場’該第二承載單元的電極組合具有一第二電極區； 以及一流體通道單元’具有-界定出-微流道的毛細管， =毛細管具有分別緊鄰該第—電極區與該第二電極區的兩 端。藉此’在該第一電場低於該第二電場時，可將該液體 以介電泳方式從該第一承載微空間經由該微流道輸送至該 第一承載微空間，而在該第一電場高於該第二電場時可 將邊液體以介電泳方式從該第二承載微空間經由該微流道 輪送至該第一承載微空間。 根據又一層面，本發明的方法是利用一介電泳裝置以 輪送—液體。該介電泳裝置包括一第一承載單元、一第二承 載單元及一流體通道單元。該第一承載單元界定出一可容納 液體的第一承載微空間並具有一電極組合，該第二承載單 元界定出一可容納該液體的第二承載微空間並具有一電極組 T，該第一承載微空間與該第二承載微空間藉由該流體通道 單元而可流體相通。該方法包含：使一連續的液體充滿該流 體通道單元内且至少部份充滿該第一承載微空間及部份充滿 201219292 °亥第一承載微空間；在該第一承載單元的該電極組合上施加 '第—電壓以在該第一承載微空間内產生一第一電場；以及 在。亥第一承載單元的該電極組合施加一第二電壓以在該第二 承載微空間内產生一高於該第一電場的第二電場，藉此，可 將該第一承載微空間内的該液體以介電泳方式經由該流體通 道單元輸送至該第二承載微空間内。 本發明利用調控該第一電場與該第二電場之間的差異 了以有效地控制液體傳輸的速度，藉此可以準確地將一定量 的液體輸送到所要的位置，例如從該第一承載微空間傳輸到 該第二承載微空間。本發明還利用該中間電極區的該第一擴 大％。卩與该第二擴大端部的構造而可以避免流體在輸送過程 中被中斷。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之兩個較佳具體例的詳細說明中將可 清楚的呈現。 在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說 明内容中，類似的元件是以相同的編號來表示。 如圖2至4所示，本發明之第一較佳具體例之用於輸 送一液體100的液體介電泳裝置包含一上基板31(玻璃材料） ，一形成在該上基板31的上電極層5(透明導電材料IT〇)， 形成在该上電極層5的上疏水層32，一下基板41(玻璃材 料），一形成在該下基板41的下電極層6(透明導電材料 ΙΤΟ)，一包覆該下電極層6的介電層42，一形成在該介電 201219292 層42上的下疏水層43(鐵弗龍材料），以及一間隔該上疏水 層32與該下疏水層43的間隔層7。該下電極層6包括一第 一電極區61，一第二電極區02,及一間隔地介於該第一電 極區61與該第二電極區62的中間電極區63。該第一電極 區61結合該上電極層5、該上、下基板31，41、該上、下 疏水層32 ’43、及該介電層42而界定出一第一承載單元 81該第一電極£ 62結合該上電極層5、該上、下基板31 ’ 41、該上、下疏水層32 ’ 43、及該介電層42而界定出一 第一承載單元82。該中間電極區63結合該上電極層5、該 上、下基板31 ’ 41、該上、下疏水層32，43、及該介電層 42而界定出一流體通道單元83。這裡須要注意的是，本發 明之液體介電泳裝置可以根據實際應用的需要而有不同的 變化，例如，在第一較佳具體例中該上電極層5是一連續 層’但在其他的應用上，該上電極層5可以是具有圖案的 ’亦即具有複數相間隔的電極區。另外，在其他的應用上 ’也可以省略該上、下疏水層32，43或該介電層42，咬 包含上、下介電層等。 該第一承載單元81界定出一可容納該液體的第一承裁 微空間810(該第一承載微空間内可另包含一流體2〇〇，例如 空氣或<5夕油’而與該液體100之間形成一介面），並具有— 由該第一電極區61與該上電極層5所界定出的電極組合用 以在該第一承載微空間810内產生一第一電場。該第二承 載單元82界定出一可容納該液體1〇〇的第二承載微空間 820，並具有一由該第二電極區62與該上電極層5所界定 201219292 出的電極組合用以在該第二承載微㈣請内產生一第二 電場。該流體通道單元83界定出—微流道83q，並具有— 由該中間電極區63與該上電極層5所界^出的電極組合用 以在該微流道830内產生—電場。 該下電極層6的該第—電極區61，該第二電極區们， 及該中間電極區63的各自的形狀^義出該液體獅所在位 置（該第一承載微空間_、該第二承載微空間820、或該微

流道請)的邊界’亦即，該第—電極區&，該第二電極區 2及該中間電極區63的形狀實質上地分別定義出該第一 載微工間810、該第二承載微空間82〇、及該微流道㈣ 的形狀或邊界。 士圖4所示’在本具體例中，該第一電極區6丄與該第 -電極區62具有-長方形的形狀（2漏"m χ綱㈣。 該中間電極區63則具有—類似„亞鈴的形狀並具有一第一擴 ^端部631、一第二擴大端部632、及一連接該第一擴大端 # 631與該第二擴大端部632的中間段633(寬：i〇0/zm)。 該第一擴大端冑631肖該第二擴大端冑632分別間隔地緊 鄰忒第-電極區61與該第二電極區62，且其等的寬度分別 自“中間|又633的兩端朝該第一電極區61與該第二電極區 62逐漸擴大。藉此，在該第一電場低於該第二電場時，可 將4液體刚以介電泳方式從該第一承載微空間刚經由 =微流道830輸送至該第二承載微空間82〇，而在該第一電 场冋於該第二電場時’可將該液冑1GG以介電泳方式從該 第二承載微空間820經由該微流道83()輪送至該第一承載 201219292 微空間810。

該第-電極區61與該第二電極區62各具有—近端6ΐι ，621。較佳下，該中間電極區63的該第一擴大端 J 的一端6311與該第_電極區61的近端6ιι間隔地緊鄰（兩 者之間具有一約1〇 間隙）且具有與該近端6ιι實質上 相同的寬度’而該中間電極區63的該第二擴大端部咖的 -端6321與該第二電極區62的近端621間隔地緊鄰（兩者 之間具有一約ίο 間隙）且具有與該近端621實質上相 同的寬度。該中間電極區63的該第一擴大端部631的該端籲 6311與該第一電極區61的近端611之間的間隙係根據該中 間電極區63與該第一電極區61的形狀及尺寸的不同而變 化。同樣地，該中間電極區63的該第二擴大端部632的該 端6321與該第二電極區62的近端621之間的間隙係根據 該中間電極區63與該第二電極區62的形狀及尺寸的不同 而變化。 在操作上，是先將所要輸送的液體1〇〇承載在該第一 承載微空間内810，之後再施加該第一電場於該第一承載微鲁 空間810内以限位在該第一承載微空間81〇内的液體1〇〇， 之後再施加一高於該第一電場的中間電場於該微流道83〇 内以使位在該第一承載微空間810内的液體1〇〇因受不同 電場的作用而被驅動流入該微流道83〇内，之後再施加高 於該中間電場的該第二電場於該第二承載微空間82〇内以 使位在該微流道830内的液體1〇〇因受不同電場的作用而 被驅動流入該第—承載微空間820内。此時，該中間的電 10 201219292 場可以關閉或繼續，只要該第一承載微空間81〇與該第二 承載微空間820内的電場不同，即可使液體100產生介電 泳而從較低的電場區流到較高的電場區。 本發明利用第一較佳具體例之介電泳裝置以輸送一液 體100的方法包含：使一連續的液體100充滿該流體通道 單兀83的該微流道83〇内且至少部份充滿該第一承載微空 間810及部份充滿該第二承載微空間82〇 :在該第一承載單 兀81的該電極組合上施加一第一電壓以在該第一承載微空 間810内產生一第一電場；以及在該第二承載單元82的該 電極組合施加一第二電壓以在該第二承載微空間82〇内產 生一咼於該第一電場的第二電場，藉此，可將該第一承載 微空間810内的該液體1〇〇以介電泳方式經由該流體通道 單元83的該微流道830輸送至該第二承載微空間82〇内。 圖5顯示一第一比較例的液體介電泳裝置的下電極層9 的結構。該下電極層9的結構包括一第一電極區91、一第 電極區92及一设於s亥第一電極區91與該第二電極區92 之間的中間電極區93。第一比較例與第一具體例不同之處 在於第一比較例的該中間電極區93具有一長方形條狀的形 狀。圖6顯示一第二比較例的液體介電泳裝置的下電極層9 的結構。該下電極層9的結構包括一第一電極區Μ '一第 二電極區92及-設於該第—電極區91與該第二電極區％ 之間的中間電極區93。第二比較例與第一具體例不同之處 在於第二比較例的第一電極區91與第二電極區92各自具 有—寬度漸縮且形成有一凹槽91〇，92〇的近端9i2 , ， 11 201219292 及3中fei電極區93具有—長方形條狀的形狀且其兩端分別 延伸穿入4第一電極區91與該第二電極區％的該等凹槽 910，920内。音龄细-松 耳樹顯不第一比較例與第二比較例的該下電 極層9的結構會造成液體1〇〇從該第一電極區傳輸到該 第-電極區92的過程中發生★斷現象使得液體剛無法 再繼續從該第一電極區91傳輸到該第二電極區92。 本發明第—具體例的該下電極層6的結構可解決上述 的問題@ 7A-7F為連續過程的影像圖顯示藉由施加不同 的電场至6亥第-承載微空間81〇、該微流道83〇與該第二承 載微空間820，第一具體例中之該液體1〇〇可以從該第一承 載Μ二間810凡全被傳輪到該第二承載微空間82〇而不會 發生如第一比較例與第二比較例之液體傳輸中斷的現象。 圖8顯示本發明之第二較佳具體例之介電泳裝置。第 一較佳具體例與第一較佳具體例不同之處在於第二較佳具 體例的下電極層6還包括一第三電極區64，且該中間電極 區63具有一 γ形的結構並具有三個分別對應該第一電極區 〇亥第一電極區62與該第二電極區64的擴大端部， 632 ’ 634。帛三較佳具體例具有混合兩種不同液體的功能 。在操作上，是先將兩種液體分別置於該第一電極區61與 該第二電極區62,再施加不同的電壓至該第一電極區61、 該第二電極區62與該第三電極區64使得位於該第一電極 區61與該第二電極區62的兩種液體產生介電泳並在γ形 的該中間電極區63的一交又點635處進行混合，之後再流 入該第三電極區64的位置。 12 201219292 圖9顯示本發明 第二較佳具體例之介電泳裝 下電極層6»第三較佳具體例與第一較佳具 ： W具體例的下電極層6的該中間電極區二 間奴633疋由多數相間隔的導體633ι所構成的。

圖1〇顯示本發明之第四較佳具體例之介電泳裝置 四較佳具體例與第-較佳具體例不同之處在於第四較佳具 體例的下電極層6的該中間電極區63的一中間段咖的兩 相對側邊具有複數缺σ 633G，2該等缺口 6綱沿該中間段 633的長度方向分佈。該中間段㈣另形成有一沿該中間段 633長度方向延伸且與該等缺口 6330相通的中央長槽⑽ 。第四較佳具體例可用於收集《 100中的餘（未顯示）。 在操作上’當液H 1〇〇受不同電場的驅動而以介電泳的方 式在該微流道830内流動而流經該等缺口 633〇時，液體 1〇〇中的微粒會被捕捉而落在該等缺口 6330 内。 圖11顯示本發明之第五較佳具體例之介電泳裝置。第 五較佳具體例與第一較佳具體例不同之處在於第五較佳具 體例的該流體通道單元83是由一形成在該下基板41的一 凹槽壁所界定出的—毛細管412所定義的。該毛細管412 界定出該流體通道單元83的該微流道83〇。 綜上所述’藉由本發明的液體介電泳裝置的該中間電 極區633的構造可以解決液體1〇〇在該第一承載微空間81 與該第二承載微空間82之間輸送過程中突然中斷的問題。 另外’藉由在該第一承載微空間81與該第二承載微空間82 分別產生不同的該第一電場與該第二電場，可以驅動在該 13 201219292 第一承載微空間81與該第二承載微空間82内的液體100 產生介電泳而在該第一承載微空間81與該第二承載微空間 82之間流動。 惟以上所述者’僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍’即大凡依本發明申請專利 範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍 屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1是一示意圖，說明習知液體介電泳裝置之結構； 圖2是一示意圖’說明本發明之液體介電泳裝置之第 一較佳具體例的結構； 圖3是一剖示圖，說明本發明之液體介電泳裝置之第 一較佳具體例的結構； 圖4是一頂示圖’說明本發明之第一較佳具體例的一 下電極層的結構； 圖5是一頂示圖，說明第一比較例的一下電極層的結 構； 圖6是一頂示圖，說明第二比較例的一下電極層的結 構； 圖7A-7F是影像圖，說明本發明之第一具體例中之液 體從一第一承載微空間被傳輸到一第二承載微空間第的連 續過程的狀態； 圖8是一頂示圖’說明本發明之液體介電泳裝置之第 二較佳具體例的一下電極層的結構； 14 201219292 一圖9是一頂示圖’說明本發明之液體介電泳裝置之第 —較佳具體例的一下電極層的結構； 圖 Ί Π θ _ 疋一頂示圖，說明本發明之液體介電泳裝置之第 四佳具體例的一下電極層的結構 ;以及 】.ί g 疋剖不圖’說明本發明之液體介電泳裝置之第 五較佳具體例的結構。

【主要元件符號說明】 100 液體 21...... …上電極板 22 下電極板 221 第一端 222 第二端 31 上基板 32 上疏水層 41 下基板 412 毛細管 42 介電層 611 近端 62 第二電極區 621 近端 63 中間電極區 631 第一擴大端 6311 一端 632 第一擴大端 6321 一端 633 中間段 6330 缺口 43 下疏水層 5 上電極層 6 下電極層 61 第一電極區 6331 導體 6335 中央長槽 634 第三擴大端 635 交又點 64 第三電極區 7 間隔層 81 第一承載單元 810 第一承載微空間 15 201219292 82 第二承載單元 912 近端 820 第二承載微空間 92 第一電極區 83 流體通道單元 920 凹槽 830 微流道 922 近端 9 下電極層 93 中間電極區 91 第一電極區 910 凹槽

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Claims (1)

1. 201219292 七、申s青專利範圍： ι_ 一種液體介電泳裝置，包含： &第承載單元，界定出一可容納一液體的第一承 載微二間，並具有一電極組合用以在該第一承載微空間 内產生第一電場，該電極組合具有一第一電極區； /一第二承栽單元，界定出一可容納該液體的第二承 載微二間，並具有一電極組合用以在該第二承載微空間 内產生—第二電場’該第二承載單元的電極組合具有一 帛-電極區；以及 流體通道單元’界定出一微流道，並具有一電極 ，’且σ用以在該微流道内產生一電場該流體通道單元的 電極組合具有一中間電極區，該中間電極區具有一第一 擴大端部、一第二擴大端部、及一連接該第一擴大端部 與該第二擴大端部的中間段，該中間段具有兩端，該第 一擴大端部與該第二擴大端部分別間隔地緊鄰該第一電 鲁 極區與該第二電極區，且其等的寬度分別自該中間段的 兩端朝該第一電極區與該第二電極區逐漸擴大； 藉此’在該第一電場低於該第二電場時，可將該液 體以介電泳方式從該第一承載微空間經由該微流道輸送 至該第二承載微空間，而在該第一電場高於該第二電場 時，可將該液體以介電泳方式從該第二承載微空間經由 該微流道輸送至該第一承載微空間。 2·根據申請專利範圍第1項所述之液體介電泳裝置，其中 ’該第一電極區具有一近端，該中間電極區的該第一擴 17 201219292 大端部的一端與該第一電極區的近端緊鄰且具有相同的 寬度。 3 ·根據申凊專利範圍第1項所述之液體介電泳裝置，其中 ，該第二電極區具有一近端，該中間電極區的該第二擴 大端部的一端與該第二電極區的近端緊鄰且具有相同的 寬度。

   4. 根據申請專利範圍第！項所述之液體介電泳裝置，其中 該流體通道單元的該中間電極區的_側邊具有複數缺口 ’該等缺σ沿該中間電極區的長度方向分佈。 5. 根射請專利範圍第1項所述之液體介電泳裝置，其中 式流體通道單元的該中間電極區具有多數導體，該等導 體間隔地沿該中間電極區的長度方向排列。 6· —種液體介電泳裝置，包含： 1第承載單凡，界定出一可容納一液體的第-承 載微空間，並具有一電極組合用以在該第一承載微空間 内產生第-電％，該第_承載單元的電極組合具有一 第一電極區； 一第二承載單元，界定 載微空間，並具有一電極組 内產生一第二電場，該第二 第二電極區；以及 一流體通道單元，具有 ’該毛細管具有分別緊鄰該 的兩端； 出一可容納該液體的第二承 合用以在該第二承載微空間 承載單元的電極組合具有— 界疋出一微流道的毛細管 第一電極區與該第二電極區

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   該微流道輸送至該第一承載微空間。

   載微空間並具有一電極組合，該第二 容納一液體的第—承 二承載單元界定出— 可容納該液體的第二承載微空間並具有一電極組合，該 第一承載微空間與該第二承載微空間藉由該流體通道= 元而可流體相通，該方法包含： 使一連續的液體充滿該流體通道單元内且至少部^ 充滿該第一承載微空間及部份充滿該第二承載微空間. 在該第一承載單元的該電極組合上施加一第—電壓 以在該第一承載微空間内產生一第—電場；以及 在該第二承載單元的該電極組合施加一第二電壓以 在該第二承載微空間内產生一高於該第一電場的第二 一 'C 場，藉此’可將該第一承載微空間内的該液體以介電泳 方式經由該流體通道單元輸送至該第二承載微空間内。 19