TW201629486A - 微流體感測 - Google Patents

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Abstract

一種裝置係包含一微流體通道結構，其係被形成在一基板上並且包含一第一通道；以及一流體致動器，其係在該微流體通道結構之內。一在該第一通道之內的感測區域係以單列的模式來接收目標生物的微粒的一流體流動以用於計數，其中該感測區域係具有一和該些目標生物的微粒中之單一個別的生物的微粒的一體積相同數量級的體積。

Description

微流體感測
本發明關於微流體感測。
微流體技術係應用橫跨各種的學科，並且牽涉到小體積的流體以及如何在各種的系統及例如是微流體晶片的裝置中操縱、控制及利用此種小體積的流體之研究。例如，在某些實例中，一微流體晶片可被使用作為一"晶片上實驗室"，以例如是用於醫療及生物學的領域來評估流體以及其成分。
根據本發明之一個態樣，其提供一種生物的測試晶片，其係包括：一基板；一微流體通道結構，其係被形成在該基板上並且包含一第一通道；一流體致動器，其係在該微流體通道結構之內；一感測區域，其係在該第一通道之內以經由該流體致動器的操作來一次一個地接收生物的微粒的一流體流動，該感測區域係具有一和該些生物的微粒中之單一個別的生物的微粒的一體積相同數量級的體積。
根據本發明之一個態樣，其提供一種生物的測試晶片，其係包括：一基板；一微流體通道結構，其係被形成在該基板上，並且包含：一第一感測部分，其係包含一第一通道以接收一包含一第一尺寸的生物的 微粒的流體，該第一通道係包含一具有一第一體積的第一感測區域，該第一體積係和該些第一尺寸的生物的微粒中之單一個的一體積相同的數量級，以在該第一感測區域造成單列的計數；以及一第二感測部分，其係包含一第二通道以接收一包含一第二尺寸的生物的微粒的流體，該第二通道係包含一具有一第二體積的第二感測區域，該第二體積係和該些第二尺寸的生物的微粒中之單一個的一體積相同的數量級，以在該第二感測區域造成單列的計數。
根據本發明之一個態樣，其提供一種套件，其係包括：複數個不同的生物的測試晶片，其中每一個晶片係對應於一不同尺寸的生物的微粒。其中每一個晶片係包含：一基板；一微流體通道結構，其係被形成在該基板上並且包含一第一通道；一流體致動器，其係在該微流體通道結構之內；以及一感測區域，其係在該第一通道之內以經由該流體致動器的操作來接收生物的微粒之單列的流體流動，該感測區域係具有一和該些生物的微粒中之單一個別的生物的微粒的一體積相同數量級的體積。其中一個別的不同的晶片的感測區域的感測體積係對應於針對該個別的不同的晶片的該生物的微粒的一尺寸。
20‧‧‧微流體裝置
22‧‧‧基板
30‧‧‧通道結構
32‧‧‧第一通道
34‧‧‧流體致動器
40‧‧‧感測區域
50‧‧‧感測區域體積
52‧‧‧生物的微粒體積
60‧‧‧模組(匣)
61‧‧‧殼體
62‧‧‧入口
64‧‧‧流體儲存槽
66‧‧‧試劑
67‧‧‧流體樣本
80‧‧‧微流體裝置
82‧‧‧致動器
84‧‧‧屬性感測器
85A‧‧‧泵
85B‧‧‧加熱器
86‧‧‧入口/出口室
87‧‧‧過濾器
88‧‧‧熱感測器
100‧‧‧系統
102‧‧‧輸入/輸出(I/O)模組
106‧‧‧控制介面
107‧‧‧殼體
108‧‧‧主機裝置
109‧‧‧作業系統(OS)
110‧‧‧中央處理單元(CPU)
111‧‧‧驅動程式
112‧‧‧支援電路
114‧‧‧記憶體
116‧‧‧輸入/輸出(IO)電路
118‧‧‧外部的介面
119‧‧‧通訊媒體
120‧‧‧顯示器
122‧‧‧圖形使用者介面(GUI)
134‧‧‧控制器
136‧‧‧IO電路
138‧‧‧記憶體
140‧‧‧指令
142‧‧‧電源供應器
200‧‧‧微流體的結構
202‧‧‧微流體通道
204‧‧‧流體致動器
205‧‧‧噴嘴(出口)
206‧‧‧感測器
208‧‧‧入口
210‧‧‧過濾器
212‧‧‧網格過濾器
214‧‧‧流體儲存槽
221‧‧‧感測部分
230‧‧‧接面
240‧‧‧感測體積
241‧‧‧感測部分
242‧‧‧突出部
243‧‧‧感測器區域
244‧‧‧收縮
248‧‧‧槽
255‧‧‧電阻性元件
260‧‧‧生物的微粒
266‧‧‧突出部
272‧‧‧目標生物的微粒
280‧‧‧過濾器
282‧‧‧元件
300‧‧‧感測部分
301A‧‧‧第一區域
301B‧‧‧第二區域
301C‧‧‧第三區域
302A、302B、302C‧‧‧通道部分
308A、308B、308C‧‧‧入口
310A、310B、310C‧‧‧過濾器
322A、322B、322C‧‧‧屬性感測器
323A、323B、323C‧‧‧元件
340A、340B、340C‧‧‧感測體積
400‧‧‧感測部分
401A、401B、401C‧‧‧區域
402A、402B、402C‧‧‧通道部分
D1‧‧‧直徑
D3、D4、D5‧‧‧尺寸
H1‧‧‧高度
L1‧‧‧長度
T1‧‧‧厚度
W1、W2‧‧‧寬度
圖1是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種微流體裝置的方塊圖。
圖2是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的在一感測區域體積以及生物的微粒體積之間的一關係的方塊圖。
圖3是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的容置一微流體裝置的一匣的方塊圖。
圖4是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種微流體裝置的方塊圖。
圖5是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種微流體裝置的構件的方塊圖。
圖6是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種微流體裝置的一構件的方塊圖。
圖7是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種微流體的測試系統的方塊圖。
圖8是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的圖7的系統的一主機裝置的方塊圖。
圖9是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的圖7的系統的一控制介面的方塊圖。
圖10是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種包含一通道結構以及相關的構件之微流體裝置的一部分的平面圖。
圖11是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的在一微流體通道結構之內的一感測部分之一放大的部分平面圖。
圖12是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一感測區域體積以及一生物的微粒體積之圖。
圖13是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的在一微流體通道結構之內的一感測部分之一放大的部分平面圖。
圖14是沿著圖13的線14-14所取的截面圖，以概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的和一感測區域相關的一收縮。
圖15是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的在一微流體通道結構之內的一感測部分之一放大的部分平面圖。
圖16是包含一概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的在一微流體通道結構之內的一系列的感測部分的側平面圖之圖示。
圖17是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的在一微流體通道結構之內的數個並聯配置的感測部分的側平面圖。
在以下的詳細說明中係參考到構成其之一部分的所附的圖式，並且在圖式中係藉由例證而展示本揭露內容可被實施於其中之特定的例子。將瞭解到的是，其它例子亦可被利用並且可以做成結構或邏輯的改變，而不脫離本揭露內容的範疇。因此，以下的詳細說明不應當被視為限制性的涵義。
本揭露內容的至少某些例子係針對於用以評估生物的流體之微流體裝置。在某些例子中，此種微流體裝置可被採用在細胞檢驗中，例如是細胞計數及分析。譬如，一常見的醫療程序係包含評估一血液樣本以判斷白血球數或是紅血球數，其可以指出一特定的醫學狀況、一器官的健康、等等。
本揭露內容的至少某些例子係在一微流體晶片上經由高的信號至雜訊比來提供在細胞檢驗中之高的處理量以及增高的正確性，其係可藉由除了其它特點及屬性之外的單列的(single file)感測以及一低的流體稀 釋因數之採用來加以達成。在某些例子中，此配置係至少部分經由在該微流體晶片的一通道結構之內設置一感測區域而被致能，其中該感測區域係具有一體積(例如，一感測體積)是和所關注的生物的微粒的一體積相同數量級的。
藉由使得所關注的生物的微粒以單列的模式通過該感測區域，該配置係提供一次一個的感測或計數生物的微粒。
在某些例子中，此配置係至少部分地經由在該感測區域之前及/或之內的通道結構之內設置一非均勻的流動場而被致能。在某些例子中，該非均勻的流動場係至少部分地經由一位在該感測區域的上游之排除結構，以排除大於所關注的目標生物的微粒之生物的微粒而被致能。在某些例子中，該非均勻的流動場係至少部分地經由就在該感測區域之前的通道結構的橫截面面積上的一縮減而被致能。
再者，在某些例子中，當上述的特點和微流體裝置的其它操作特點組合時，一高達每秒1百萬個生物的微粒之感測(例如，計數)的處理量速率是可達成的。在某些例子中，該微流體裝置的此種操作特點係包含板上的泵、板上的加熱器、板上的混合、及/或板上的感測器的使用，其全部都存在於一小覆蓋區的基板上。
經由這些高的處理量速率之快速的計數於是顯著地降低涉及一特定生物的微粒之測試的總時間，以藉此使得治療點的診斷測試對於現實世界、臨床環境以及利用相當低成本的測試晶片來進行此是實際可行的。
利用本揭露內容的至少某些例子的細胞檢驗程序並不限於 血液，而是延伸到其它生物的流體或是生物的流體製劑，以偵測在唾液、尿液、脊髓流體、等等中的細菌及/或病毒。其它可應用的例子包含在一釀酒廠環境中計數酵母細胞、或是獲得精子細胞計數或卵子計數。如同在以下進一步所述的，本揭露內容的至少某些例子係經由提供被製作尺寸且/或被成形來強化感測(例如，計數)所關注的特定生物的微粒之感測結構，以針對於這些許多不同類型及尺寸的生物的微粒達成高的準確性以及處理量。
這些例子以及額外的例子係相關至少圖1-17來加以敘述及描繪。
圖1是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種微流體裝置20的方塊圖。如同在圖1中所示，該微流體裝置20係被形成在一基板22上，並且包含一通道結構30，該通道結構30則是包含一第一通道32以及一流體致動器34，以造成流體通過至少該第一通道32的移動。該第一通道32係包含一感測區域40，以使得感測所關注的一生物的微粒，亦即一目標生物的微粒變得容易。
在某些例子中，該目標生物的微粒係構成一例如是全血或部分的血液之生物的流體的部分。一些範例的生物的微粒係包含見於全血或部分的血液中的紅血球、白血球、病毒、等等。在某些例子中，如同以上所指出的，該生物的微粒係構成其它自然生物的流體或是其它生物的流體製劑的部分。
在某些實例中，該微流體裝置20係被稱為一微流體晶片或是一生物的測試晶片。
如同在圖2中進一步描繪的，在某些例子中，該感測區域係 具有一體積50，其係與在該第一通道32中流動的流體內的目標生物的微粒的一體積52相稱的。尤其，在某些例子中，該感測區域體積50是和該生物的微粒體積52相同數量級的。在某些實例中，該感測區域體積50在此係被稱為感測體積。
不同類型的生物的微粒的一些例子的尺寸及體積係稍後進一步加以敘述。
圖3是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的包含一微流體裝置20(圖1-2)的一模組60的方塊圖。在某些實例中，該模組係被稱為一匣或容器。如同在圖3中所示，模組60係包含一至少部分包括且/或支承該微流體裝置20的殼體61。
在某些例子中，如同在圖3中所示，流體儲存槽64係相當接近微流體裝置20而被界定在殼體61之內，以致能在兩者之間的流體連通。如同藉由圖3所展示的，該流體樣本67係加以沉積(經由入口62)以進入流體儲存槽64中，並且在流入到微流體裝置20中之前先與試劑66混合。在某些實例中，在該流體流入該微流體裝置20的通道中之前，微流體裝置20係包含其本身的儲存槽來最初從儲存槽64接收該流體樣本(經與試劑66混合的)。
若該流體樣本67是血液，則在某些例子中，該試劑66係包含一例如是乙二胺四乙酸(EDTA)的抗凝劑、及/或例如是磷酸緩衝生理食鹽水(PBS)的緩衝溶液。在某些例子中，一適當的血液樣本係具有大約2微升的體積，而該試劑係具有一大約8微升的體積，此係導致一10微升的體積待經由該微流體裝置20來加以處理。於是，在此配置中，一大約5的稀釋 因數係被施加至全血的流體樣本。在某些例子中，超過或小於5的稀釋因素係被施加至全血。在某些例子中，當該流體(待被測試)的一感測體積通過目標生物學的微粒被計數所在的感測區域時，此種低稀釋因素係確保一高的信號雜訊比。此外，較低的稀釋因素係牽涉到待藉由該微流體裝置處理之一較小總體積的流體，此於是降低用於該特定的流體樣本的總測試時間。在某些例子中，一等於或小於10的稀釋因數係被採用。
在某些例子中，不論該流體樣本67是血液或另一種類型的生物學的流體，大於或小於2微升的體積可被利用。此外，在某些例子中，不論該流體樣本67是血液或另一種類型的生物的流體，大於或小於8微升的試劑體積可被利用。在某些例子中，一流體樣本67亦利用除了試劑66之外的其它或是額外的流體來加以稀釋。
在某些例子中，用於血液或是任何流體樣本67的稀釋因數可以根據十(tens)的量級來加以實施，其係包含例如是10、20、30、40、50、60、70、80及90、以及介於在這些所述的值中間的量之稀釋因素。
將會瞭解到的是，在某些例子中，該稀釋因數(被施加至流體樣本67)可以根據一(ones)的量級來加以實施，其係包含1、2、3、4、5、6、7、8及9的稀釋因素。
進一步將會理解到的是，在某些例子中，當全血是該流體樣本67時，該試劑66係包含其它或是額外的試劑以製備該血液，以用於一所關注的診斷的測試。在某些例子中，此種試劑66係協助感測器識別在流體樣本中的某些微粒，以便於追蹤其、計數其、移動其、等等。在某些例子中，此種試劑66係與該流體樣本67中的某些微粒結合，以便於使得從該流 體排除或過濾那些微粒來更佳的隔離或集中所關注的一特定生物的微粒變得容易。在某些例子中，該試劑66的操作係與過濾器及/或其它分類及隔離機構合作，來作用以從該微流體裝置20的一感測區域排除某些生物的微粒。
在某些例子中，試劑66係包含適合用以執行為了微粒標記(tagging)的抗體-抗原結合的材料、及/或適合用以實施奈米微粒標記技術、磁性微粒分類技術、及/或高密度的微粒標記技術的材料。
在某些例子中，至少某些試劑66係包含裂解劑，例如是(但不限於)當在實施白血球的後續的計數或分析之前先析出紅血球是所要的時候。
當然，在該流體樣本67不是血液、而是一例如為尿液、脊髓流體、等等的不同的生物的流體的事件中，則試劑66將會包含一適合用以處理此種流體並且達成那些流體的構件的所要的分離及分類之類型及數量的試劑66。
圖4是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種微流體裝置80的方塊圖。在某些例子中，微流體裝置80係包含和圖1-3的微流體裝置20實質相同的特點及屬性中的至少某些個。在某些例子中，圖3的微流體裝置80的至少某些構件是被納入在圖1-3的微流體裝置20之內。
如同在圖3中所示，微流體裝置80係包含致動器82以及屬性感測器84，其中致動器82是作用為一泵85A且/或作用為一加熱器85B。在某些例子中，致動器82係包括一例如是熱敏電阻的電阻性元件。當在一高強度以及充分的脈波寬度下被啟動時，該致動器82可以成核(nucleate)一移置在該通道結構30內的流體之汽泡，以沿著且通過該通道結構30來驅動 流體。作為一副產物的是，一適量的熱可能會被產生。在一特點中，此種高強度的啟動係牽涉到一相當短的脈波寬度以及較高的功率。
然而，當被啟動在一低強度以及不充分的脈波寬度時，該致動器82並不作用為一泵，因為不存在足夠的能量來造成一成核事件，並且因此無顯著的流體位移。反而，熱可被產生，使得致動器82作用為一加熱器85B，而無位移流體。在一特點中，此種低強度的啟動係牽涉到一相對較長的脈波寬度以及較低的功率。
在某些例子中，微流體裝置80係包含一屬性感測器84以偵測該流體的一屬性、或是該流體的成分。在某些例子中，該屬性感測器84係包括一阻抗感測器以計數流過通道結構30的生物的微粒，即如同在以下相關至少圖10-17進一步敘述者。
一稍後敘述的控制介面106係可耦接至該微流體裝置的一電性介面，以用於激勵及控制該致動器82以及感測器84的操作。在某些例子中，該晶片為基礎的微流體裝置20、80的結構及構件係利用積體電路微製造技術來加以製造的，例如是電鑄、雷射剝蝕、非等向性蝕刻、濺鍍、乾式及濕式蝕刻、微影、鑄造、模製、沖壓、加工、旋轉塗覆、疊層、等等。
圖5是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種微流體裝置的構件86、87的方塊圖。在某些例子中，一種例如是裝置20、80(圖1-4)的微流體裝置進一步包含入口/出口室86及/或過濾器87。該入口/出口室係使得流體能夠進入及離開該通道結構30的各種的部分，而過濾器87係將一流體的不同的成分彼此分離，例如是排除較大的微粒而使其不進一 步通過該通道結構30，即如同稍後進一步指出者。在某些實例中，此種過濾器87係被稱為一排除結構。
圖6是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種微流體裝置的一熱感測器88的方塊圖。在某些例子中，一種例如是裝置20、80(圖1-4)的微流體裝置進一步包含一熱感測器88。在某些例子中，熱感測器88係追蹤至少該通道結構30以及於其中的流體的一溫度，以使得管理和存在於該通道結構30內之一給定的生物的流體上實施一所關注的測試相關的反應過程變得容易。在一例子中，該熱感測器88是一電阻性元件，其係以該電阻性元件的溫度的一函數來改變電阻。
圖7是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種微流體的測試系統的方塊圖。如同在圖7中所示，系統100係包含一匣60、一控制介面106(其具有殼體107)、以及一主機裝置108。在某些例子中，匣60係包含和如先前相關至少圖3所述的匣60實質相同的特點及屬性中的至少某些個，並且其中微流體裝置20係包含和如先前相關至少圖1-6所述的微流體裝置20、80實質相同的特點及屬性中的至少某些個。
如同在圖7中所示，除了至少微流體裝置20之外，匣60係包含一輸入/輸出(I/O)模組102以在該微流體裝置20(在匣60之內)與控制介面106之間通訊電源、資料、及/或控制信號、等等，該控制介面106接著是和該主機裝置108通訊。
在某些例子中，如同在圖7中所示，匣60係可移除地耦接至該控制介面106，因而可以根據需要來加以耦接與解除耦接。該控制介面106係可移除地耦接至該主機裝置108，即如同在以下進一步敘述者。在某 些實例中，該控制介面106係被稱為、或是體現為一連接棒(dongle)或連接器。
概括地說，一流體樣本67(圖3)係透過微流體技術來加以處理，並且在該控制介面106的控制下被施加至在該微流體裝置20中的一感測區域。該微流體裝置20係提供一代表該感測器資料(例如，生物的微粒的一計數)的電性輸出信號至該控制介面20。利用在該主機裝置108的控制下之控制介面20，該主機裝置108可以往返於該控制介面106傳送及接收資料，其係包含用於控制該微流體裝置20以及獲得從該微流體裝置20獲得的感測器資料之命令資訊。
圖8是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的主機裝置108(圖7)的方塊圖。如同在圖8中所示，在某些例子中，該主機裝置108大致包含一中央處理單元(CPU)110、各種的支援電路112、記憶體114、各種的輸入/輸出(IO)電路116、以及一外部的介面118。該CPU 110係包含一微處理器。在某些例子中，該些支援電路112係包含一快取、電源供應器、時脈電路、資料暫存器、與類似者。在某些例子中，該記憶體114係包含隨機存取記憶體、唯讀記憶體、快取記憶體、磁性讀取/寫入記憶體、或類似者、或是此種記憶體裝置的任意組合。在某些例子中，該IO電路116係與該外部的介面118合作，以使得透過一通訊媒體119(在圖7中所示)來和該控制介面106通訊變得容易。該通訊媒體119可以牽涉到任意類型的有線及/或無線的通訊協定，並且可包含電性、光學、射頻(RF)、或類似者的傳輸路徑。
在某些例子中，該外部的介面118係包含一萬用串列匯流排 (USB)控制器，以透過一USB電纜線來傳送及接收資料至該控制介面106，並且提供電力至該控制介面106。將瞭解到的是，在某些例子中，其它類型的連至該控制介面106的電性、光學、或是RF介面係被用來傳送及接收資料且/或提供電力。
在某些例子中，如同在圖8中所示，主機裝置108的記憶體114係儲存一作業系統(OS)109以及一驅動程式111。該OS 109以及驅動程式111係包含可藉由該CPU 110執行的指令，以用於透過該外部的介面118來控制該主機裝置108並且用於控制該控制介面106。該驅動程式111係在該OS 109與控制介面106之間提供一介面。在某些例子中，該主機裝置108係包括一可程式化的裝置，其係包含被儲存在非暫態的處理器/電腦可讀取的媒體(例如，該記憶體114)上的機器可讀取的指令。
在某些例子中，如同在圖8中所示，該主機裝置108係包含一顯示器120，該OS 109可以透過該顯示器120來提供一圖形使用者介面(GUI)122。使用者可以利用該使用者介面122來和該OS 109以及驅動程式111互動，以控制該控制介面106，並且顯示從該控制介面106接收到的資料。將會瞭解到的是，該主機裝置108可以是任意類型的一般或是特定用途的計算裝置。在一例子中，該主機裝置108是一行動計算裝置，例如是一"智慧型手機"、"平板電腦"或類似者。
圖9是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的控制介面106的方塊圖。在一例子中，該控制介面106係包含一控制器134、IO電路136、以及一記憶體138。該控制器134係包括一微控制器或是微處理器。在某些例子中，控制介面106係從該主機裝置108接收電源，而在某些例子 中，該控制介面106係包含一電源供應器142。
在某些例子中，記憶體138係儲存可藉由該控制器134執行的指令140，以用於至少部分地控制該微流體裝置20且/或用於和該主機裝置108通訊。就此而論，該控制介面106係包括一可程式化的裝置，其係包含被儲存在非暫態的處理器/電腦可讀取的媒體(例如，該記憶體138)上的機器可讀取的指令140。在其它例子中，該控制介面106可以利用硬體、硬體及被儲存在記憶體138中的指令140的一組合來加以實施。譬如，在某些例子中，該控制介面106的全部或是一部分係利用一可程式化的邏輯裝置(PLD)、特殊應用積體電路(ASIC)、或類似者來加以實施。
圖10是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一種微流體裝置20的一部分的一微流體的結構200之圖。在某些例子中，該微流體的結構200係包含和如先前相關至少圖1-9所述的微流體裝置20、80實質相同的特點及屬性中的至少某些個。
如同在圖10中所示，在某些例子中，該微流體的結構200係包含一微流體通道202、一流體致動器204、一感測器206、一噴嘴205(例如，出口)，以及一入口208。圖10亦描繪一流體儲存槽214，其係和匣60的流體儲存槽64(圖3)連通。在某些例子中，一網格過濾器212係被設置在該流體儲存槽214中，以用於過濾在被施加的流體樣本中的微粒。儘管在圖10中的流體通道202的形狀被展示為"U形的"，但是此並不欲作為在該通道202的形狀上之一般的限制。因此，該通道202的形狀可包含其它形狀，例如是彎曲的形狀、蛇形、具有角的形狀、其之組合、等等。再者，該通道202並未被展示為任何特定的尺度或比例。被製造在一裝置上的通道202 的寬度可以與在此揭露內容的圖式中所展示的任何尺度或比例不同。在該通道中的箭頭係指出流體流過該通道的一範例的方向。
該入口208係提供一開口給該通道202，以接收該流體。在某些例子中，該過濾器210係被設置在該入口208中，並且避免在該流體中具有一特定尺寸(根據該過濾器210的尺寸而定)的微粒進入該通道202中。在某些例子中，該入口208可以具有一比該通道202更大的寬度及容積。譬如，該入口208可以在下游朝向上界定一漸進變窄的橫截面面積。在一特點中，如同在以下進一步所述的，這些結構係協助產生一非均勻的流動場，其係使得生物的微粒進入通道202之單列的流動變得容易。
然而，將會瞭解到的是，在某些例子中，此種過濾器210並非位在入口208中，而是位在入口208的上游以及通道202的外部。在某些例子中，一過濾器係位在該儲存槽214上游的匣60中。如同在別處所指出的，在某些實例中，此種過濾器係被稱為一排除結構。在某些例子中，如同在圖10中所示，該感測器206係被設置在該通道202中接近該入口208之處(例如，比該泵致動器204更靠近該入口208)。在某些例子中，該感測器206係被設置在該入口208中。在某些例子中，該感測器206是一阻抗感測器，並且在該流體中的生物的微粒通過在該感測器206上時偵測阻抗改變。在某些例子中，該感測器206係產生一信號，該信號的強度係直接成比例於通過在該感測器206上/通過該感測器206之生物的微粒的尺寸，並且藉此提供一基礎以計數生物的微粒。
有關此種結構的進一步細節係在以下相關至少圖11-16來加以描述。
如同在圖10中進一步所示的，在某些例子中，該流體致動器204(例如，泵)係被設置在該感測器206下游的接近該通道202的一封閉端之處。該流體致動器204可以是一流體的慣性泵致動器，其可以利用廣泛而多樣的結構來加以實施。在某些例子中，該流體致動器204是一熱敏電阻，其係產生汽泡以在該通道202之內產生流體位移。該經位移的流體係從該噴嘴405被排出，藉此在通道202之內/穿過通道202致能一慣性的流動模式。在某些例子中，流體致動器204係被實施為壓電元件(例如，PZT)，其之電性引起的偏轉係在該通道202之內產生流體位移。其它藉由電性、磁性、以及其它力所啟動的偏轉的薄膜元件用於實施該流體致動器204也是可行的。
在某些例子中，該流體致動器204係造成小於10微微升的流體位移，並且可以在一從1Hz到100kHz的頻率範圍來加以啟動。
概括地說，該流體致動器204係被設置成足夠地靠近感測器20，以確保高的流體流動速率以及因此高的微粒計數速率，例如是高達每秒1百萬。儘管未被展示，在某些例子中，流體致動器204係被設置以造成推動生物的微粒通過在感測器206的區域之慣性泵送，而在某些例子中，流體致動器204係被設置以造成將生物的微粒拉動通過在感測器206的區域之慣性泵送，即如同在圖10中所示者。
圖11是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一微流體通道結構的一感測部分221之一放大的部分側視圖。在某些例子中，該感測部分221係構成一微流體裝置的部分，該微流體裝置係具有和如先前相關至少圖1-10所述的微流體裝置20、80實質相同的特點及屬性中的至少某 些個。如同在圖11中所示，感測部分221係包含和通道202連通的入口208。在某些例子中，入口208係具有一圓錐體形狀，其係開始於(在A之處)一實質大於該通道202的一寬度(W1)之直徑，並且接著減小至在一與該通道202的接面230的一端點(在B之處)以匹配該通道202的寬度。除了其它特點之外，該圓錐體狀的入口208係貢獻到形成一非均勻的流動場，以使得將生物的微粒對準成單列的變得容易，以用於在屬性感測器220之處一次一個地移動通過該通道202。儘管為了舉例說明清楚起見而省略，但是在某些例子中，一過濾器210係被設置在入口208之內以排除具有一尺寸是大於所關注的生物的微粒(亦即，待被計數的目標生物的微粒)的尺寸之生物的微粒。在某些例子中，此種過濾器210係包括間隔開一距離的柱，其係致能流體流動以及目標生物的微粒的通過，但是其係避免較大的生物的微粒的通過。此過濾器210進一步貢獻到該非均勻的流動場，其係將目標生物的微粒對準以用於在該屬性感測器220之處單列的進入以及穿過通道202。如同先前所提及的，此過濾器210係有時被稱為一排除結構。
在某些例子中，該感測器220係包含電阻性元件，其係作用為一阻抗感測器以偵測目標生物的微粒的屬性。例如，經由該感測器220偵測到的一屬性係包含在生物的微粒一次一個地通過通道202的感測區域時計數該些生物的微粒。
在某些例子中，通道202係被形成為具有一橫截面面積，以界定移動通過該通道202並且移動在感測器220上的流體(包含單一目標生物的微粒)的一感測體積240。如同至少部分在圖11中所展示的，該感測體積240係具有一寬度(W1)、一長度(L1)、以及一高度(H1)，此係進一步描繪 在圖12中。描繪在圖11-12中的感測體積240並非是一實體結構，而是在感測器220之上/通過感測器220而移動通過該通道202之流體的一體積的表示，並且其係剛好夠大來載有單一生物的微粒260。儘管圖12係描繪一紅血球(RBC)，但將會瞭解到的是，生物的微粒260並不限於血液的生物的微粒，而是可以為任何一種生物的流體(生物的流體製劑)的生物的微粒、或是其它食物相關的生物的微粒，例如是酵母細胞。
將會瞭解到的是，該感測體積240並不一定是一立方體，而是可以形成其它形狀，其係大致對應於該流體移動通過在感測器220的區域中之通道202的一橫截面的形狀。例如，若在該區域中的通道202具有一大致圓形的橫截面的形狀，則該感測體積係具有一大致碟片的形狀、圓柱形的形狀、或是球狀的形狀。於是，一感測體積係代表當該目標生物的微粒在該生物的微粒正為了計數而被感測的一時間點移動通過在感測器220的區域中的通道202時，一特定的生物的微粒存在於其中之流體的一體積。
進一步將會理解到的是，任何給定類型的目標生物的微粒都將會具有其本身的獨特的幾何，並且在此所述的目標生物的微粒並不限於在圖12中描繪的生物的微粒之形狀及尺寸。於是，該目標生物的微粒的一體積將不會一定具有一均勻的形狀、拓撲、等等。然而，舉例而言，圖12係描繪一具有直徑(D1)以及一厚度(T1)以及一大致碟狀外觀的紅血球。再者，在某些例子中，為了經由感測器220計數細胞並且為了將生物的微粒在感測器220的區域的通道202中對準成為單列的目的，該生物的微粒260的整體體積可能是比該生物的微粒的最大尺寸(例如，高度、寬度、長度、直徑、等等)的值較不重要的，該最大尺寸可以是生物的微粒藉以成為被分 類並且對準成為單列的因數。於是，根據所關注的目標生物的微粒，該通道202的尺寸/形狀係被選擇以形成流體的一感測體積，其按照定義將會只載有一生物的微粒。
在某些例子中，該感測體積係具有和在該感測體積內所載有的目標生物的微粒的一體積相同的數量級。換言之，一感測區域的一體積係具有和在感測時移動通過感測器220、或是在感測器220之上的流體的體積內所載有之目標生物的微粒的一體積相同的數量級。
此配置係在該感測器220的位置處致能一高的信號雜訊比(SNR)，以產生一高度有效率且有效的計數機構。尤其，因為對於每一個被計數的生物的微粒而言，一小體積的流體係存在於該感測器220的附近，因此針對存在於感測的一特定的實例(亦即，在該感測資料信號的一特定的快照或窗)的每一個生物的微粒係記錄一相對較強的信號。
在某些例子中，一體積分數係藉由單一生物的微粒的體積相對於該感測體積的一比例所定義。在某些例子中，該體積分數是在十分之一的數量級，例如是0.1(亦即10%)。譬如，若該流體樣本是全血並且該目標生物的微粒是紅血球，則該目標生物的微粒的最大尺寸(在此例中是一直徑)是大約6微米，並且其之一體積是在0.1微微升的數量級(例如，在某些實例中是9×10-17升)。假設該第一感測通道係提供用於一大約100微米的橫截面面積以及一10微米的長度，則該第一通道係被製作尺寸以界定一大約1微微升的感測體積。在此情節中，如同在以上所提及的，該體積分數將會是大約0.1。將會瞭解到的是，此例子並非嚴格限制性的，因為根據特定的生物的微粒以及在該感測區域的通道之特定的尺寸及形狀，在某些例子 中，該感測體積範圍可以是該生物的微粒的體積的1到10倍。
已知市售的細胞儀是大為稀釋生物的微粒存在於其中的流體(例如，高達100到1000倍)，以便於充分地分開該些生物的微粒來致能經由其可利用的技術之計數，它們係提供例如是0.001(0.1%)的體積分數，此係大於經由本揭露內容的至少某些例子所達成的體積分數約兩個數量級。
然而，本揭露內容的例子並非嚴格被限制為根據0.1的體積分數來操作，而是可以根據具有其本身獨特的形狀及尺寸之特定類型的生物的微粒來根據不同的體積分數(例如，0.25、0.4、0.5、0.6、1.1、1.5等等)來操作。
在某些例子中，在該感測區域中的通道的尺寸及形狀係考量到所關注的特定生物的微粒的行為特徵。例如，紅血球是輕易順應性的(conformable)，並且因此在接收紅血球的感測區域的通道的尺寸及形狀可以做成是密切匹配該些紅血球的尺寸，因為可以預期到該些紅血球將會充分彎曲、壓縮或是順從，以致能其進入到該感測區域中。相反地，其它具有奇特尺寸(細長的、三角形、等等)或是相對較少順應性的微粒可以考慮到所關注的生物的微粒的特定的特徵，而牽涉到提供該通道的感測區域的一更寬容的尺寸及形狀。
在某些例子中，一種微流體裝置係被採用以計數除了血液細胞之外的生物的微粒。例如，存在於一流體樣本之內的某些病毒或細菌可以被計數。某些病毒係具有一50-300奈米的數量級的直徑，而某些細菌係具有3×0.6微米的數量級的尺寸。在某些例子中，精子或卵子係被計數，其 中精子係具有5微米的數量級的尺寸，並且卵子係具有130微米的數量級的尺寸。這些生物的微粒(例如，某些病毒)的某些類型可能是一個數量級或是兩個數量級小於其它例如是紅血球的生物的微粒。於是，在這些例子的某些例子中，額外的結構係被採用在通道202之內以提供所要的感測體積，例如是稍後相關至少圖13-15所進一步敘述者。
進一步將會理解到的是，由於產生自該通道202(至少在感測器220的區域中)的形狀及尺寸是如何被定義為大致對應至該目標生物的微粒的尺寸及形狀之重要性，因此在某些例子中，一不同的微流體裝置或晶片係被提供以測試每一個不同的目標生物的微粒。在某些例子中，單一微流體裝置係計數不同的目標生物的微粒，但是藉由提供不同的通道202來從事此以便完成之，其中每一個不同的通道是專用於測試一特定的目標生物的微粒，同時排除不同尺寸/類型的其它生物的微粒。在某些例子中，如同稍後相關至少圖16所進一步敘述的，單一微流體裝置係包含一系列的通道部分，其中每一個通道部分係被製作尺寸及形狀以提供對應於一目標生物的微粒之一感測體積(在感測器220的區域處)，使得該系列的通道部分提供成一序列的不同的目標生物的微粒之單列的(一次一個的)計數。在某些例子中，如同稍後相關至少圖17進一步敘述的，單一微流體裝置係提供平行的通道，其中每一個通道係偵測來自單一流體樣本之一不同的類型/尺寸的目標生物的微粒，其中該些不同的通道中的至少某些個係利用一感測體積是不同於藉由其它個別的通道所界定的一感測體積。
圖13是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一微流體通道結構的一感測部分241之一放大的部分的側視圖。在某些例子中，該 感測部分241係包括一具有和如先前相關至少圖11-12所述的感測部分221實質相同的特點及屬性中的至少某些個之感測部分。
如同在圖13中所示，感測部分241係界定一具有一感測器區域243的通道202，而在該感測器區域243被形成在通道202中的突出部242係被設置以界定一相當接近至該感測器220的收縮244。在沿著通道202的該點之處，該收縮244係界定一寬度(W2)是小於通道202的一般的寬度(W1)。在某些例子中，當所期望的是保持通道202的一般的寬度(W1)，而仍然提供結構(例如，收縮244)以達成具有一體積(或是最大尺寸)遠小於該通道202的一橫截面面積之目標生物的微粒之單列的對準及計數時，此配置係被採用。
圖14是沿著圖13的線14-14所取的截面圖，其係概要地描繪該可利用的槽248(具有寬度W2)，而流體及微粒可以透過該槽248而流動在收縮244的點之處。
圖15是根據本揭露內容的一個例子的在一通道中接近一感測器區域的一收縮244之一放大的部分側視圖。如同在圖15中所示，該收縮244係經由在通道202的相反的側壁上的兩個突出部242來加以形成。
在某些例子中，如同在圖13、15中所示，該收縮244係位在和感測器220的至少一部分共同延伸之處。換言之，該收縮係佔用和該感測器220的一部分大致相同的空間中的至少一部份。在圖15所示的特定的非限制性的例子中，感測器220的電阻性元件255係跨坐藉由突出部266所界定的收縮244。以此種方式，一感測體積270係相當靠近感測器220來加以界定，使得在感測一目標生物的微粒272的時間點(或是靠近該時間 點)，其中存在該目標生物的微粒272的感測體積270係具有一和該目標生物的微粒272的體積相同數量級之體積，藉此確保單一目標生物的微粒272(例如，單列的)通過該感測器區域，以提供生物的微粒的一次一個的感測。在某些例子中，該收縮244就位在感測器220的電阻性元件之前(例如是上游)，並且是緊鄰該些電阻性元件。
在某些例子中，如同在圖15中進一步所示的，通道202係進一步界定一就在該收縮244之前的過濾器280(其包含元件282)，以進一步排除大於該收縮244所針對來製作尺寸及成形的目標生物的微粒272之生物的微粒(未顯示)。除了提供一尺寸/形狀的限制以致能目標生物的微粒272(同時排除其它較大的微粒)的通過之外，該突出部242結合過濾器280的存在係產生一非均勻的流體流動，以使得該目標生物的微粒272對準成為單列的，以用於通過收縮244並且通過感測器220。
圖16是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一微流體通道結構的一感測部分300的側視圖。在某些例子中，該感測部分300係構成一微流體裝置的部分，該微流體裝置係具有和如先前相關至少圖1-10所述的微流體裝置20、80實質相同的特點及屬性中的至少某些個，並且其中感測部分300係包含和如先前相關圖11-15所述者實質相同的特點及屬性中的至少某些個。
參考至少圖16，將會瞭解到的是，該感測部分300的元件並不一定按照比例繪製，而是至少提供相對的尺寸及形狀之一展示。
如同在圖16中所示，感測部分300係包含一系列的感測區域301A(第一區域)、301B(第二區域)、301C(第三區域)，其係被展示為藉由 虛線分開的。每一個不同的區域301A、301B、301C係被設置以偵測或計數一不同尺寸的生物的微粒。例如，如同在圖16中所繪，第一區域301A係計數具有小於一尺寸D3的一直徑(或最大尺寸)之生物的微粒，而第二區域301B係計數具有一小於尺寸D4的直徑(或最大尺寸)之生物的微粒，該尺寸D4亦小於尺寸D3。第三區域301C係計數具有一小於尺寸D5的直徑(或是最大尺寸)之生物的微粒，該尺寸D5亦小於尺寸D4。在每一個區域中，一通道部分302A、302B、302C係具有一被製作尺寸及成形以造成針對該特定的通道部分302A、302B、302C之目標生物的微粒的單列的流動之橫截面面積，以確保藉由感測器的計數只牽涉到針對該特定的區域之目標生物的微粒。於是，通道部分302A係具有一與通道部分302B不同的橫截面面積，並且通道部分302B係具有一與通道部分302D不同的橫截面面積、依此類推。
在某些例子中，每一個區域301A、301B、301C係(分別)包含一入口308A、308B、308C以及一過濾器310A、310B、310C以產生一非均勻的流動場，以使得針對於每一個別的區域的目標生物的微粒之單列的流動變得容易。再者，在如此做的當中，每一個別的過濾器310A、310B、310C係排除大於針對該特定的區域的目標生物的微粒之生物的微粒。
每一個區域301A、301B、301C係包含一界定一個別的感測體積340A、340B、340C(當該生物的微粒通過時)的感測區域，該些感測體積係被製作尺寸為與將在該對應的個別的區域301A、301B、301C中被感測之特定的目標生物的微粒相同數量級的。區域301A係包含一包括元件323A的屬性感測器322A，而區域301B係包含一包括元件323B的屬性感測器 322B，並且區域301C係包含一包括元件323C的屬性感測器322C。
儘管為了舉例說明的單純性而並未被描繪在圖16中，但將會瞭解到的是，在某些例子中，該些不同的區域301A、301B、301C並非緊跟在另一個之後，而是在相鄰或連續的區域301A、301B、301C之間可以具有其它通道部分或構件(例如，泵、加熱器、其它屬性感測器、流動速率感測器、等等)。
再者，將會瞭解到的是，在某些例子中，多個不同的感測部分可以沿著如同在圖16中的單一通道被串聯配置，但是其中每一個感測部分都具有和其它感測部分實質相同的尺寸的感測體積，以計數/感測一目標生物的微粒的一尺寸。在某些例子中，此種配置係使得驗證量測的正確性變得容易、或是藉以提供內部的控制(亦即，完整性因數)。
圖17是概要地描繪根據本揭露內容的一個例子的一微流體通道結構的一感測部分400之圖。在某些例子中，該感測部分400係具有和感測部分300實質相同的特點及屬性中的至少某些個，除了其並不是將該些不同的區域301A、3018、301C(其中每一個係分別包含其個別的特點及屬性)串聯配置之外，該感測部分400係提供平行的類似的區域401A、401B、401C，每一個係具有一對應的通道部分402A、402B、402C。於是，其並不是依序計數生物的微粒，該感測部分400係平行地計數。在某些例子中，該些不同的區域401A、401B、401C係具有相同尺寸的感測體積，以致能校準或是使得一給定的流體樣本的較快的處理變得容易。
在某些例子中，所有三個通道部分402A、402B、402C都和一例如是儲存槽214(圖10)之共同的儲存槽流體連通。然而，在某些例子中， 每一個通道部分402A、402B、402C係從獨立的流體儲存槽部分接收一流體(包含待被處理及計數的生物的微粒)，而並非從單一共同的儲存槽。就此而論，在某些例子中，每一個獨立的儲存槽可包含一不同成分的流體。在某些例子中，該獨立的儲存槽係經由被形成在儲存槽214中的隔離牆來加以形成。
本揭露內容的至少某些例子係利用高的信號至雜訊比來提供在細胞檢驗中之高的處理量以及增高的正確性，其係可藉由除了其它特點及屬性之外的單列的感測以及一低的流體稀釋因數之採用來加以達成。於是，此配置係非常適合於採用在治療點的(POC)環境中，以達成快速的診斷及可評估的資訊。儘管特定的例子已經在此被描繪及敘述，但是各種替代及/或等同的實施方式都可以取代所展示及敘述的特定例子，而不脫離本揭露內容的範疇。此申請案係欲涵蓋在此論述的特定例子的任何調適或變化。
20‧‧‧微流體裝置
22‧‧‧基板
30‧‧‧通道結構
32‧‧‧第一通道
34‧‧‧流體致動器
40‧‧‧感測區域

Claims (15)

  1. 一種生物的測試晶片，其係包括：一基板；一微流體通道結構，其係被形成在該基板上並且包含一第一通道；一流體致動器，其係在該微流體通道結構之內；一感測區域，其係在該第一通道之內以經由該流體致動器的操作來一次一個地接收生物的微粒的一流體流動，該感測區域係具有一和該些生物的微粒中之單一個別的生物的微粒的一體積相同數量級的體積。
  2. 如申請專利範圍第1項之晶片，其中該感測區域係根據一體積分數來操作，其中每一個單一生物的微粒的體積相對於該感測區域的體積的一比例是在十分之一的數量級。
  3. 如申請專利範圍第2項之晶片，其係包括：至少一阻抗感測器，其係大致共同延伸在該感測區域之內，以計數通過該感測區域的生物的微粒。
  4. 如申請專利範圍第3項之晶片，其中該些生物的微粒係受到一個十的數量級的稀釋因數的控制。
  5. 如申請專利範圍第4項之晶片，其中該通道結構係提供一非均勻的流動部分，以將該些生物學的微粒對準成為通過該感測區域之單列的流動模式，該非均勻的流動部分係包含以下的至少一個：一在該感測區域上游的排除結構，以排除大於該感測區域的體積之生物的微粒；以及一入口，其係包含一在該下游朝向上漸進變窄的橫截面面積。
  6. 如申請專利範圍第5項之晶片，其中該第一通道係大致界定一第一橫截面面積，並且該第一通道係包含一與該感測區域大致共同延伸的收縮，其中該收縮係具有一實質小於該第一橫截面面積的第二橫截面面積。
  7. 如申請專利範圍第1項之晶片，其中該些生物的微粒中的至少某些個是血液細胞。
  8. 一種生物的測試晶片，其係包括：一基板；一微流體通道結構，其係被形成在該基板上並且包含：一第一感測部分，其係包含一第一通道以接收一包含一第一尺寸的生物的微粒的流體，該第一通道係包含一具有一第一體積的第一感測區域，該第一體積係和該些第一尺寸的生物的微粒中之單一個的一體積相同的數量級，以在該第一感測區域造成單列的計數；以及一第二感測部分，其係包含一第二通道以接收一包含一第二尺寸的生物的微粒的流體，該第二通道係包含一具有一第二體積的第二感測區域，該第二體積係和該些第二尺寸的生物的微粒中之單一個的一體積相同的數量級，以在該第二感測區域造成單列的計數。
  9. 如申請專利範圍第8項之晶片，其中該些第一及第二生物的微粒係受到一個十的數量級的稀釋因數的控制。
  10. 如申請專利範圍第8項之晶片，其中每一個別的第一及第二通道係提供一非均勻的流動部分，以將該些生物學的微粒對準成為通過該些個別的第一及第二感測區域之單列的流動模式，該非均勻的流動部分係包含以下的至少一個： 一在該些第一及第二感測區域上游的排除結構，以排除大於該些個別的第一及第二感測區域的體積之生物的微粒；以及一入口，其係包含一在該下游朝向上漸進變窄的橫截面面積。
  11. 如申請專利範圍第8項之晶片，其中該些個別的第一及第二感測部分係被串聯配置，其中該第二感測部分係位在該第一感測部分的下游。
  12. 如申請專利範圍第8項之晶片，其中該些個別的第一及第二感測部分係被平行地配置。
  13. 一種套件，其係包括：複數個不同的生物的測試晶片，其中每一個晶片係對應於一不同尺寸的生物的微粒，其中每一個晶片係包含：一基板；一微流體通道結構，其係被形成在該基板上並且包含一第一通道；一流體致動器，其係在該微流體通道結構之內；以及一感測區域，其係在該第一通道之內以經由該流體致動器的操作來接收生物的微粒之單列的流體流動，該感測區域係具有一和該些生物的微粒中之單一個別的生物的微粒的一體積相同數量級的體積，其中一個別的不同的晶片的感測區域的感測體積係對應於針對該個別的不同的晶片的該生物的微粒的一尺寸。
  14. 如申請專利範圍第13項之套件，其中該感測區域係包含至少一用於計數該些生物的微粒的阻抗感測器。
  15. 如申請專利範圍第13項之套件，其中該些生物的微粒係受到一個十的數量級的稀釋因數的控制，並且其中該通道結構係提供一非均勻的流動 部分，以將該些生物學的微粒對準成為通過該感測區域之單列的流動模式，該非均勻的流動部分係包含以下的至少一個：一在該感測區域上游的排除結構，以排除大於該感測區域的體積之生物的微粒；以及一入口，其係包含一在該下游朝向上漸進變窄的橫截面面積。
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