TW201525461A - 微流體裝置 - Google Patents

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Pei-Wen Yen
Yu-Lung Sung
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Abstract

一種微流體裝置，包含一基板、一電極陣列、及一覆蓋體，該電極陣列設置於該基板上，接收M個交流、振幅大小相同、且相位依序同方向地相差360/M度的控制信號，該覆蓋體設置於與該電極陣列同側的基板上，並具有一形成於鄰近該基板之表面的微流道，使位於該微流道之一側的取樣溶液被該M個控制信號驅動而朝該微流道之另一側移動，並使該取樣溶液中具有直徑大於一預期大小的該等粒子被吸附在該電極陣列的表面，以實現用電壓致動的方式驅動微流道內的樣品，並過濾樣品中的粒子，而完成樣品的準備。

Description

微流體裝置
本發明是有關於一種微流體裝置，特別是指一種具有過濾功能之全電致動式的微流體裝置。
在現今的社會中，隨著手持行動裝置的普及化，特別是近年來智慧型手機的崛起，使得健康照護系統也有新的發展方向。行動健康照護(Mobile Health)系統即是結合行動裝置與醫療檢測的新型健康照護系統。因此適用於行動健康照護系統的醫療檢測元件，必須能夠具有可攜帶、易整合、低致動功率等元件特性。因此，生醫檢測系統晶片將是一個十分適用於行動健康照護系統的選擇。目前，已有許多學者、專家投入生醫檢測系統晶片的發展研究中，特別是生醫感測器的部分，已經有許多相關文獻發表，例如：矽奈米線、懸臂樑、電阻抗化學分析儀、及表面電漿共振儀等。這些生醫感測器不僅展現相當良好的生醫感測表現，同時也提供居家重點照護檢測系統一個很好的感測平台。
然而，除了生醫感測之外，樣品準備也是整個醫療檢測過程中十分重要的步驟之一。藉由正確地取得樣 品，才能夠大幅地提高生醫感測器對樣品感測的準確度及靈敏度。因此，在生醫系統晶片發展時，樣品準備也成為晶片設計需要考量的重要因素之一。現今，在生醫領域發展的文獻中，鮮少有能夠整合樣品準備功能的生醫系統晶片。另外，近幾年來，微流道技術被廣泛地應用於樣品準備元件中。但目前的微流道元件在處理待測樣品時，仍需要額外的流體致動儀器(例如：針筒幫浦)，但是在行動健康照護系統的應用中，外加式幫浦將會成為樣品準備元件與生醫感測元件整合的一大阻礙。此外，習知的樣品準備元件也僅具有樣品準備的單一功能，對於樣品並沒有任何篩選的能力，因此，如何發展出具有過濾功能且易於整合在行動健康照護系統之生醫系統晶片的樣品準備元件，是目前生醫晶片系統發展的一大課題。
因此，本發明之目的，即在提供一種具有粒子過濾功能，且全電致動式的微流體裝置。
於是，本發明微流體裝置，包含一基板、一電極陣列及一覆蓋體。該基板由絕緣材質所製成。該電極陣列設置於該基板上，接收M個交流，且相位依序同方向地相差360/M度的控制信號，M為整數且大於1。該覆蓋體設置於與該電極陣列同側的基板上，並具有一形成於鄰近該基板之表面的微流道，使位於該微流道之一側的取樣溶液被該M個控制信號驅動而朝該微流道之另一側移動，並使該取樣溶液中具有直徑大於一預期大小的該等粒子被吸附 在該電極陣列的表面，可被吸附之粒子的直徑大小是相關於該等控制信號的振幅大小。
本發明之功效是利用微流體裝置的電極陣列及微流道，根據控制信號的控制，以達到用電壓致動在微流道內的樣品，並過濾樣品中的粒子，而完成樣品的準備。
1‧‧‧基板
2‧‧‧電極陣列
21‧‧‧電極
211‧‧‧微電極部
212‧‧‧接收部
3‧‧‧覆蓋體
31‧‧‧微流道
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一立體分解圖，說明本發明微流體裝置之一較佳實施例；圖2是一立體圖，說明本發明微流體裝置之較佳實施例；圖3是一模擬圖，說明本發明之較佳實施例的一直徑6微米之假想粒子所受到的介電泳力之分佈；圖4是一模擬圖，說明本發明之較佳實施例的一直徑10微米之假想粒子所受到的介電泳力之分佈；圖5是一模擬圖，說明本發明之較佳實施例的一直徑1微米的假想粒子受到電滲透影響的速度分佈；圖6是一模擬圖，說明本發明之較佳實施例的一直徑1微米的假想粒子受到電滲透影響的速度分佈；圖7是一分佈圖，說明本發明之較佳實施例的複數直徑6微米的粒子在不同時間所量測的數量分佈；圖8是一分佈圖，說明本發明之較佳實施例的複數直徑10微米的粒子在不同時間所量測的數量分佈；圖9是一分佈圖，說明本發明之較佳實施例的複數直徑1 微米的粒子受到一振幅0.75V的控制信號在不同時間所量測的數量分佈；圖10是一分佈圖，說明本發明之較佳實施例的複數直徑1微米的粒子受到一振幅1.5V的控制信號在不同時間所量測的數量分佈；及圖11是一分佈圖，說明本發明之較佳實施例的一種人體細胞(HL-60)在不同時間所量測的數量分佈。
參閱圖1與圖2，本發明微流體裝置之一較佳實施例，適用於區分取樣物中不同直徑的粒子，例如作為取樣物的血液中包含的紅血球(直徑6~8微米)及白血球(直徑大於15微米)，分別屬不同直徑的粒子，且該微流體裝置包含一基板1、一電極陣列2及一覆蓋體3。
該基板1為絕緣材質所組成，例如玻璃。該電極陣列2設置於該基板1上，且包括N個分別具有一微電極部211及一接收部212的電極21，N為整數且大於1。該等電極21的微電極部211呈長條狀，並沿一X方向間隔地設置，且彼此平行。
在本實施例中，每一微電極部211的長度約為800微米，寬度為10微米，兩相鄰微電極部211的間距為10微米。在其他實施例中，該等微電極部211的長度、寬度、及間距可為其它值。
每一電極21的接收部212由其微電極部211的一端延伸，以接收M個控制信號之其中一者，M為整數且 大於1。該M個控制信號依序為相位同方向地相差360/M度的第1控制信號、第2控制信號…、第M控制信號。該N個電極21依序為第1電極21、第2電極21…、第N電極21，該第i電極21的接收部212接收第j控制信號，i與j為整數，且1≦i≦N，1≦j≦M，當i為j的整數倍時，j=M，當i不為j的整數倍時，j為i除以M的餘數。
在本實施例中，N=64，M=4，則第1、2、3及4控制信號的相位分別為θ、θ+90、θ+180、θ+270度，該第1、2、3、4、5、6、7…、64電極21的接收部212分別接收第1、2、3、4、1、2、3…、4控制信號。在其他實施例中，N與M可以為其他整數，例如N=24，M=2，則第1與第2控制信號的相位相差360/2=180度，該第1、2、3…、24電極21的接收部212分別接收第1、2、1…、2控制信號。
該覆蓋體3概呈一長方體，由聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)所製成，設置於與該等電極21同側的基板1上，並具有一微流道31，該微流道31形成於鄰近基板1的表面，且平行於該X方向，使該微流道31與該N個電極21的微電極部211互相垂直。
在本實施例中，該覆蓋體3的長度與寬度都為300微米，高度為50微米。在其他實施例中，該覆蓋體3的長度、寬度、及高度可為其他值。
在該電極陣列2接收該4個固定相位差的控制信號，且包含複數粒子及複數離子的溶液由該覆蓋體3的 微流道31一端流入時，每一粒子在該微流道31內會受到二種電動力學影響(在本實施例中，該粒子的電性不限於正、負性，也可以是中性)，分別敘述如下：
1.行進波電滲透(Travelling wave electro-osmosis)：該等控制信號將溶液內的離子吸引至該等微電極部211的表面，使該等離子往某一固定方向移動，在此同時，該等離子將會拖著液體同時往該固定方向移動。此時，該微流道31內能形成一個類似庫葉流(current flow)的流場。藉由這樣的機制，能夠達成完全以電力驅動的方式，使包含該等粒子的溶液在該微流道31內流動。
2.介電泳(Dielectrophoresis)：由於前述的行進波電滲透所形成之類似庫葉流的流場，使得該等粒子從微流道31的外部進入時，會受到流體向微電極部211的拖拉力(Drag Force)，因此，該等粒子在進入該微流道31內時，將會十分接近該等微電極部211的表面，進而影響電場分佈。由於該等粒子的表面電場強度會比該微流道31內之其他空間的電場強度還高，且受到的介電泳力小於零，也就是介電泳力的方向是從每一粒子的表面向外。再加上該等粒子十分靠近該等微電極部211的表面，因此，受到的淨介電泳力將使該等粒子往該等微電極部211的表面移動，最終被吸附在該等微電極部211的表面上，而達到過濾該溶液之該等粒子的效果。
參閱圖3，是一模擬圖，視圖方向是圖2的A方向剖視，圖3的橫軸和縱軸分別表示圖2的X和Z方向， 因為該等微電極部211呈現一規則排列，所以模擬僅採用其中一個部分，即二相鄰微電極部211的中心點之間，說明在該4個控制信號的振幅大小都為0.75伏特，頻率都為1千赫茲時，一直徑6微米之假想粒子在該微流道31內所受到的介電泳(Dielectrophoresis)力之分佈，圖上的箭號代表該位置受到的介電泳力之方向，圖上的顏色代表該位置收到的介電泳力之大小。由該假想粒子受到的介電泳力大小及方向可知，該假想粒子在靠近該基板1時，受到一向基板1方向吸引的淨力，使該假想粒子被吸附至該N個電極21之其中一者上。
參閱圖3與圖4，圖4是一類似圖3的模擬圖，不同的地方在於：該假想粒子的直徑為10微米。由該假想粒子受到的介電泳力大小及方向可知，該假想粒子在靠近該基板1時，也受到一向基板1方向吸引的淨力，使該假想粒子被吸附至該N個電極21之其中一者上，且該直徑10微米的假想粒子所受到的淨介電泳力大於圖3之直徑6微米的假想粒子。由此可知，一假想粒子在該微流體裝置的微流道31內，且在該電極陣列2接收相同的控制信號時，該假想粒子所受到的淨介電泳力大小相關於該假想粒子的直徑，該淨介電泳力的大小約正比於該假想粒子之直徑的三次方。
參閱圖5，是一模擬圖，視圖方向是圖2的A方向剖視，圖5的橫軸和縱軸分別表示圖2的X和Z方向，類似圖3，模擬僅採用二相鄰微電極部211的中心點之間， 說明在該4個控制信號的振幅大小都為0.75伏特，頻率都為1千赫茲時，一直徑1微米之假想粒子在該微流道31內受到行進波電滲透影響的速度分佈，圖上的箭號代表在該位置的速度方向，圖上的顏色代表該位置的速度大小。
參閱圖5與圖6，圖6是一類似圖5的模擬圖，不同的地方在於：該4個控制信號的振幅大小都為1.5伏特。雖然圖5與圖6的假想粒子所在位置相同，但所受到的行進波電滲透影響卻明顯不同：圖5的假想粒子只會水平的移動，而圖6的假想粒子除了水平移動，還會向該等微電極部211的表面移動。由此可知，一假想粒子在該微流體裝置的微流道31內時，該假想粒子是否會被該等微電極部211的表面吸附會相關於該等控制信號的振幅大小，在此進一步說明，該等控制信號的振幅越大，能將直徑越小的粒子吸附，也就是說，直徑大於一預定值的粒子會被該等微電極部211的表面吸附，而該預定值反比於該等控制信號的振幅大小。
參閱圖7，是一分佈圖，說明包含複數直徑6微米之螢光球粒子的氯化鉀溶液，由該微流道31的一端流入，且在該第9~40電極21的接收部212接收4個控制信號，該等控制信號的振幅大小都為0.75伏特，頻率都為1千赫茲時的實驗，圖7(a)~(c)是在不同時間量測附著於該等微電極部211的螢光球粒子分佈結果，圖7(d)是針對不同時間、不同位置的螢光球粒子數目的統計結果。在此實驗中，該電極陣列2的第1~8電極21並沒有接收該等控制信號之其 中任一者，以作為對照組，且以第1電極21的位置作為X方向的零點。此外，圖7(a)是第0秒，也就是開始量測時，卻會有亮點的分佈結果，此為實驗時，該等微電極部211的表面已經存在的汙染物，並非螢光球粒子被吸附所造成，同理，圖7(a)的汙染物也留在圖7(b)與7(c)上。由圖7(a)~(d)可知，隨著時間增加，被該等控制信號驅動的氯化鉀溶液朝該微流道31的另一端移動，且該等直徑6微米的螢光球粒子被吸附於該等微電極部211的表面。
參閱圖8，圖8是一類似圖7的分佈圖，不同的地方在於：該等複數螢光球粒子的直徑為10微米。結果也與圖7相同，隨著時間增加，被該等控制信號驅動的氯化鉀溶液朝該微流道31的另一端移動，且該等直徑10微米的螢光球粒子也被吸附於該等微電極部211的表面。
參閱圖9，圖9是一類似圖7的分佈圖，不同的地方在於：該等複數螢光球粒子的直徑為1微米。但結果卻與圖7不同，隨著時間增加，被該等控制信號驅動的氯化鉀溶液朝該微流道31的另一端移動，但該等直徑1微米的螢光球粒子只有非常少數能被吸附於該等微電極部211的表面。
參閱圖10，圖10是一類似圖7的分佈圖，不同的地方在於：該等複數螢光球粒子的直徑為1微米，且該等控制信號的振幅大小都為1.5伏特。結果也與圖7相似，隨著時間增加，被該等控制信號驅動的氯化鉀溶液朝該微流道31的另一端移動，且該等直徑1微米的螢光球粒子也 被吸附於該等微電極部211的表面。
參閱圖11，圖11是一類似圖7的分佈圖，圖11(a)是第599秒的分佈圖，圖11(b)是圖11(a)的虛線部分的放大圖，圖11(c)是針對不同時間、不同位置的細胞數目的統計結果，不同的地方在於：該溶液是包含複數直徑1微米的細胞及複數直徑介於8至20微米的癌細胞，HL-60。隨著時間增加，被該等控制信號驅動的溶液朝該微流道31的另一端移動，且所有癌細胞，HL-60，被吸附於該等微電極部211的表面。特別值得一提的是：由於癌細胞的顏色是染色而產生的，因此會隨時間的增加，而越趨黯淡。
由圖7~11的實驗可知，該微流體裝置在接收該M個相位依序為同方向地相差360/M度的控制信號時，能驅動一包含複數直徑大小之粒子的溶液，由該微流道31的一端流向其另一端，且藉由該等控制信號的振幅大小之安排，能對該溶液的該等粒子具有選擇性地過濾，也就是將複數直徑大於預期大小的粒子吸附於該等微電極部211的表面。此外，該微流體裝置的基板1與電極陣列2，及控制信號的產生電路(圖未示)都能藉由標準互補式金氧半導體(CMOS)製程來製造，也就是說，該微流體裝置能十分容易地與其他標準CMOS製程的生醫感測器整合成一生醫晶片，以實現可攜帶、易整合、低致動功率的行動健康照護系統。
綜上所述，該微流體裝置藉由該等控制信號的控制，能用電壓致動的方式驅動微流道內的樣品，並過濾 樣品中的粒子，而完成樣品的準備，所具有的篩選功效能解決先前技術所遭遇的問題，故確實能達成本發明之目的。
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專利說明書內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內。
1‧‧‧基板
2‧‧‧電極陣列
21‧‧‧電極
211‧‧‧微電極部
212‧‧‧接收部
3‧‧‧覆蓋體
31‧‧‧微流道

Claims (5)

  1. 一種微流體裝置，適用於驅動並過濾一具有複數粒子的取樣溶液，並包含：一基板，由絕緣材質所製成；一電極陣列，設置於該基板上，接收M個交流，且相位依序同方向地相差360/M度的控制信號，M為整數且大於1；及一覆蓋體，設置於與該電極陣列同側的基板上，並具有一形成於鄰近該基板之表面的微流道，使位於該微流道之一側的取樣溶液被該M個控制信號驅動而朝該微流道之另一側移動，並使該取樣溶液中具有直徑大於一預期大小的該等粒子被吸附在該電極陣列的表面，可被吸附之粒子的直徑大小是相關於該等控制信號的振幅大小。
  2. 如請求項1所述的微流體裝置，其中，該電極陣列包括N個分別具有一微電極部及一接收部的電極，N為整數且大於1，該等電極的微電極部沿一X方向間隔地設置，且彼此平行，每一電極的接收部由其微電極部的一端延伸，以接收M個控制信號之其中一者。
  3. 如請求項2所述的微流體裝置，其中，該覆蓋體之微流道的方向與該第一方向平行，並位於該電極陣列之該等電極的微電極部上方，且與該等微電極部互相垂直。
  4. 如請求項3所述的微流體裝置，其中，該M個控制信號依序為相位同方向地相差360/M度的第1控制信號、第2 控制信號…、第M控制信號，該N個電極依序為第1電極、第2電極…、第N電極，該第i電極的接收部接收第j控制信號，i與j為整數，且1≦i≦N，1≦j≦M，當i為j的整數倍時，j=M，當i不為j的整數倍時，j為i除以M的餘數。
  5. 如請求項4所述的微流體裝置，其中，該M個控制信號的振幅大小相同。
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