TW201816380A - 光誘發介電泳裝置 - Google Patents

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吳宏偉
洪政源
葉昌鑫
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Abstract

一種光誘發介電泳裝置，用以對包含多個第一微粒子和多個第二微粒子的流體進行分選處理。光誘發介電泳裝置包含光誘發介電泳晶片與不透光卡匣。光誘發介電泳晶片包含第一電極層、第二電極層、半導體層、流道層。流道層定義交會於會合處的第一流道、第二流道和第三流道，分別用以引導流體、第一微粒子和第二微粒子。流道層更定義包含會合處的投射區域，用以使圖案化光源投射於其上，藉以引導位於會合處內的第一微粒子與第二微粒子分別朝向第二流道與第三流道移動。不透光卡匣包覆光誘發介電泳晶片且具有開口，開口於垂直投影與投射區域重疊。

Description

光誘發介電泳裝置
本發明是有關於一種光誘發介電泳裝置，且特別是有關於一種利用光誘發介電泳力來對於包含不同微粒子的流體進行分選之光誘發介電泳裝置。
醫學檢驗係利用各種醫學分析儀器來對微粒子進行分析，並以分析結果來輔助評估生物體的生理狀態。若欲對單一微粒子進行分析，則需先將包含不同微粒子的流體進行分選。若是微粒子分選的效果不佳，則將造成後續分析儀器受到嚴重影響而降低分析結果的準確性。
有鑑於此，一種利用光誘發介電泳力(light induced dielectrophoresis；LIDEP)來使微粒子泳動的操控技術被廣泛研究，其必須在一個具有光導材料的晶片上進行，其操控方式主要是將光學圖形投射在晶片上，藉此產生光誘發介電泳力而使微粒子泳動，此種微粒子操控技術可簡化傳統生物檢體前處理之繁複過程。
本發明的目的是在於提供一種光誘發介電泳裝置，其可對包含不同微粒子的流體進行分選，進而利於後續分析儀器對微粒子進行分析。
根據本發明之上述目的，提出一種光誘發介電泳裝置，用以對包含多個第一微粒子和多個第二微粒子的流體進行分選處理。光誘發介電泳裝置包含光誘發介電泳晶片與不透光卡匣。光誘發介電泳晶片包含第一電極層、第二電極層、半導體層和流道層。第二電極層與第一電極層相對設置，半導體層設置於第一電極層上，流道層設置於第二電極層與半導體層之間。流道層定義交會於會合處的第一流道、第二流道和第三流道，分別用以引導流體、第一微粒子和第二微粒子。流道層更定義包含會合處的投射區域，用以使圖案化光源投射於其上，從而改變產生於第一電極層與第二電極層之間的電場，藉以引導位於會合處內的第一微粒子與第二微粒子分別朝向第二流道與第三流道移動。不透光卡匣包覆光誘發介電泳晶片，不透光卡匣具有開口，開口於流道層之垂直投影係與投射區域重疊。
在一些實施例中，上述第一電極層與第二電極層包含透明導電材料。
在一些實施例中，上述半導體層包含間接能隙(indirect bandgap)材料，且半導體層之晶體結構為非晶、微晶、多晶或單晶。
在一些實施例中，上述流道層之厚度大約為30微米至150微米，且投射區域的尺寸大約為1毫米×1毫米至 10毫米×10毫米。
在一些實施例中，上述流道層更定義注入開口、第一流出開口和第二流出開口，其中流體經由注入開口注入至第一流道，第一微粒子經第二流道從第一流出開口流出，且第二微粒子經第三流道從第二流出開口流出。
在一些實施例中，上述光誘發介電泳晶片更包含第一緩衝層與第二緩衝層，其中第一電極層設置於第一緩衝層上，且第二緩衝層設置於第二電極層上。
在一些實施例中，上述光誘發介電泳晶片更包含上基板和下基板，上基板設置於第二緩衝層上，第一緩衝層設置於下基板上。
在一些實施例中，上述上基板與下基板為透明基板。
在一些實施例中，上述第一緩衝層用以增強第一電極層與下基板之間的晶格匹配(lattice match)，且第二緩衝層用以增強第二電極層與上基板之間的晶格匹配。
在一些實施例中，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體注入至光誘發介電泳晶片，第一流出接口用以使得第一微粒子流出至光誘發介電泳晶片外，且第二流出接口用以使得第二微粒子流出至光誘發介電泳晶片外。
10‧‧‧光誘發介電泳裝置
100‧‧‧光誘發介電泳晶片
110‧‧‧下基板
120‧‧‧第一電極層
130‧‧‧半導體層
140‧‧‧流道層
142‧‧‧注入開口
143‧‧‧第一流道
144‧‧‧第一流出開口
145‧‧‧第二流道
146‧‧‧第二流出開口
147‧‧‧第三流道
150‧‧‧第二電極層
160‧‧‧上基板
170‧‧‧第一緩衝層
180‧‧‧第二緩衝層
200‧‧‧不透光卡匣
210‧‧‧開口
A‧‧‧會合處
AC‧‧‧電源
C1‧‧‧第一微粒子
C2‧‧‧第二微粒子
D1‧‧‧正介電泳力
D2‧‧‧負介電泳力
IN‧‧‧注入接口
OUT1‧‧‧第一流出接口
OUT2‧‧‧第二流出接口
P‧‧‧投射區域
S1‧‧‧頂面
S2‧‧‧底面
從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本 發明之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。
[圖1A]係繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳裝置的剖面結構圖。
[圖1B]係繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳裝置的倒視立體圖。
[圖2]係繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳晶片的流道層的平面圖。
[圖3A]至[圖3G]係繪示依據本發明實施例之各種圖案化光源的圖案示意圖。
[圖4A]係繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳晶片中未受到圖案化光源的投射下的電場分佈示意圖。
[圖4B]係繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳晶片中受到圖案化光源的投射下的電場分佈示意圖。
[圖5A]係繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳晶片中未受到圖案化光源的投射下的第一微粒子與第二微粒子的分佈示意圖。
[圖5B]係繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳晶片中受到圖案化光源的投射下的第一微粒子與第二微粒子的分佈示意圖。
本發明提供了許多不同的實施例或例子，用以 實作此揭露的不同特徵。為了簡化本發明，一些元件與佈局的具體例子會在以下說明。當然，這些僅僅是例子而不是用以限制本發明。例如，若在後續說明中提到了第一特徵形成在第二特徵上面，這可包括第一特徵與第二特徵是直接接觸的實施例；這也可以包括第一特徵與第二特徵之間還形成其他特徵的實施例，這使得第一特徵與第二特徵沒有直接接觸。此外，本發明可能會在各種例子中重複圖示符號及/或文字。此重複是為了簡明與清晰的目的，但本身並不決定所討論的各種實施例及/或設置之間的關係。
再者，在空間上相對的用語，例如底下、下面、較低、上面、較高等，是用來容易地解釋在圖示中一個元件或特徵與另一個元件或特徵之間的關係。這些空間上相對的用語除了涵蓋在圖示中所繪的方向，也涵蓋了裝置在使用或操作上不同的方向。這些裝置也可被旋轉(例如旋轉90度或旋轉至其他方向)，而在此所使用的空間上相對的描述同樣也可以有相對應的解釋。
請參照圖1A，係繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳裝置10的剖面結構圖。光誘發介電泳裝置10包含光誘發介電泳晶片100與不透光卡匣200。光誘發介電泳晶片100包含下基板110、第一電極層120、半導體層130、流道層140、第二電極層150和上基板160。下基板110為可透光之透明基板，例如玻璃基板或塑膠基板等，但本發明不限於此。
第一電極層120設置於下基板110上，其包含透 明導電材料，例如氧化銦錫(indium tin oxide；ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide；IZO)或其他類似的導電材料。
第二電極層150設置於流道層140上，其包含透明導電材料，例如氧化銦錫、氧化銦鋅或其他類似的導電材料。上基板160設置於第二電極層150上，其為可透光之透明基板，例如玻璃基板或塑膠基板等，但本發明不限於此。
半導體層130設置於第一電極層120上，其包含間接能隙材料，例如矽、鍺或其他類似的材料。且半導體層130的晶體結構為非晶、微晶、多晶或單晶。
光誘發介電泳晶片100用以對包含不同微粒子的流體進行分選處理。在本發明的一些實施例中，微粒子可以是生物細胞、空氣微粒、水中雜質或介電粉末等。若將包含第一微粒子和第二微粒子的流體注入至光誘發介電泳晶片100後，當光誘發介電泳晶片100受到光源投射時，光誘發介電泳晶片100會受到光源的影響而改變其內部電場的分佈，使得第一微粒子和第二微粒子受到不同的介電泳力(dielectrophoresis force；DEP force)作用而移動至不同處。如此一來，注入至光誘發介電泳晶片100的流體中的第一微粒子和第二微粒子可被分選出。
流道層140設置於半導體層130上。請一併參照圖2，係繪示光誘發介電泳晶片100的流道層140的平面圖。流道層140定義注入開口142、第一流出開口144、第二流出開口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交會於會合處A。流體經由注入開口142而注入至流道層140中。第一流道143用以引導注入的流體流向會合處A。若於會合處A流體中的第一微粒子和第二微粒子受到內部電場改變的作用而使得第一微粒子和第二微粒子往不同的方向移動，藉此引導第一微粒子從會合處A往第二流道145的方向移動，且引導第二微粒子從會合處A往第三流道147的方向移動。如此一來，當流體經由注入開口142連續地注入至流道層140中時，便可透過第二流道145引導第一微粒子從第一流出開口144流出至光誘發介電泳晶片100外，且透過第三流道147引導第二微粒子從第二流出開口146流出至光誘發介電泳晶片100外。
請回到圖1A，不透光卡匣200位於光誘發介電泳晶片100最外部以包覆光誘發介電泳晶片100。此外，不透光卡匣200的頂面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用以提供流體注入至注入開口142的途徑，第一流出接口OUT1用以提供第一微粒子由第一流出開口144流出至光誘發介電泳晶片100外的途徑，且第二流出接口OUT2用以提供第二微粒子由第二流出開口146流出至光誘發介電泳晶片100外的途徑。應注意的是，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別與流道層的注入開口142、第一流出開口144和第二流出開口146互為一致。
請再參照圖2，流道層140更定義投射區域P，用以使圖案化光源投射於其上，其中投射區域P包含會合處A。在本發明的一些實施例中，投射區域P的尺寸大約為1.5毫米×1.5毫米，但本發明不限於此。
請參照圖1B，係繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳裝置10的倒視立體圖。不透光卡匣200的底面S2具有開口210。開口210於流道層140之垂直投影係與投射區域P重疊，因此圖案化光源透過開口210得以投射進入流道層140的投射區域P。應注意的是，不透光卡匣200係由不透光的材質製成，因此除了透過開口210而投射進入光誘發介電泳晶片100的圖案化光源之外，可能造成干擾的其餘光源被阻隔在光誘發介電泳晶片100之外。
值得一提的是，圖案化光源的圖案可以有各種變化，所述圖案係與光誘發介電泳晶片100相互搭配，從而使得光誘發介電泳晶片100的流體中的第一微粒子和第二微粒子得以被分選出。圖3A至圖3G係繪示依據本發明實施例之各種圖案化光源的圖案示意圖，其包含梯狀圖案、剪刀圖案、複合圖案、T&S圖案和誘發圖案等。應注意的是，圖3A至圖3G所繪示的圖案僅為例示，而在實際的操作上，可依據各操作因素，例如第一微粒子與第二微粒子的組合或光誘發介電泳晶片100中流道層140的結構等，來改變所投射之圖案化光源，亦即，圖案化光源的圖案不以圖3A至圖3G所繪示的圖案為限定。
在本發明的一些實施例中，下基板110和上基 板160的厚度約為0.7毫米，第一電極層120和第二電極層150的厚度介於50奈米至500奈米之間，半導體層130的厚度約為介於1微米至2微米之間，較佳者為1.2微米，流道層140的厚度介於30微米至150微米之間，較佳者為50微米。此外，在一些實施例中，第一流道143與第二流道145之間的夾角約為169度，第二流道145與第三流道147之間的夾角約為22度，第一流道143、第二流道145和第三流道147的寬度介於800微米至1000微米之間，且注入開口142、第一流出開口144和第二流出開口146的口徑約為1.1毫米，投射區域的尺寸介於1毫米×1毫米至10毫米×10毫米，較佳者為1.5毫米×1.5毫米。應注意的是，光誘發介電泳晶片100中各元件的厚度、寬度和夾角等數值可根據實際需求而對應調整，並不以上述數值為限。
請回到圖1A，光誘發介電泳晶片100更包含第一緩衝層170與第二緩衝層180。第一緩衝層170設置於第一電極層120與下基板110之間，第二緩衝層180設置於第二電極層150與上基板160。其中第一緩衝層170用以增強第一電極層120與下基板110之間的晶格匹配，且第二緩衝層180用以增強第二電極層150與上基板160之間的晶格匹配。換句話說，第一緩衝層170用以使得第一電極層120更佳地貼附於下基板110上方，第二緩衝層180用以使得第二電極層150更佳地貼附於上基板160下方。
圖4A和4B分別繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳晶片100中未受到圖案化光源的投射下及受到圖 案化光源的投射下的電場分佈示意圖。如圖4A所示，第一電極層120和第二電極層150外接電源AC，使得第一電極層120與第二電極層150之間具有電場。在本發明的一些實施例中，電源AC係提供一交流電壓，其中交流電壓的峰對峰值約為介於1伏特至50伏特之間，較佳者為介於15伏特至25伏特之間，且交流電壓之頻率約為介於1千赫茲至1億赫茲之間，較佳者為介於10萬赫茲至100萬赫茲之間，但本發明不限於此。在光誘發介電泳晶片100中未受到圖案化光源的投射下，如圖4A所示，第一電極層120和第二電極層150之間為均勻電場，第一微粒子C1和第二微粒子C2不會往特定的方向移動。在光誘發介電泳晶片100中受到圖案化光源的投射下，如圖4B所示，第一電極層120和第二電極層150之間的電場分佈產生改變，使得第一微粒子C1受到正介電泳力(positive DEP force)D1的作用而移動至圖案化光源的投射處，且第二微粒子C2受到負介電泳力(negative DEP force)D2的作用而移動至圖案化光源的投射處外。
以下以白血球細胞和癌症細胞(包含大腸癌細胞、肺癌細胞和乳癌細胞)的分選為例說明。請參照圖5A和5B，其中圖5A係繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳晶片100中未受到圖案化光源的投射下的第一微粒子C1與第二微粒子C2的分佈示意圖，而圖5B係繪示依據本發明實施例之光誘發介電泳晶片100中受到圖案化光源的投射下的第一微粒子C1與第二微粒子C2的分佈示意圖。其中，流體包含第一微粒子C1(如癌症細胞)和第二微粒子C2(如 白血球細胞)，且流體由注入接口IN注入至流道層140中。為方便說明，在圖5A和5B中並未將上基板110和下基板160繪示出。在光誘發介電泳晶片100未受到圖案化光源的投射下，如圖5A所示，第一微粒子C1和第二微粒子C2在流道層140中為均勻分佈。在光誘發介電泳晶片100受到圖案化光源的投射下，如圖5B所示，在圖案化光源的投射處具有較強電場，使得第一微粒子C1受到正介電泳力作用而移動至圖案化光源的投射處，且第二微粒子C2受到負介電泳力作用而移動至圖案化光源的投射處外。如此一來，便可使得第一微粒子C1往第一流出接口OUT1的方向移動，且當流體經由注入接口IN連續地注入至流道層140中時，第一微粒子C1便可經由第一流出接口OUT1流出。
在本發明的一些其他實施例中，可以連續性地改變所投射之圖案化光源，使得第一微粒子和第二微粒子更有效地往不同方向移動，藉以優化分選結果。在本發明的一些其他實施例中，光誘發介電泳裝置的注入接口可連接至泵浦，使得使用者可調整流體注入光誘發介電泳晶片的流速，例如，流速介於10微升/每分鐘至500微升/每分鐘之間，藉以優化分選結果。
綜上所述，本發明之光誘發介電泳裝置可分離出不同的微粒子，進而利於後續分析儀器對微粒子之分析。
以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本發明的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本發明當作基礎來設計或修改其他的製程與結 構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本發明的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本發明精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。

Claims (10)

  1. 一種光誘發介電泳裝置，用以對一流體進行分選處理，該流體包含複數個第一微粒子和複數個第二微粒子，該光誘發介電泳裝置包含：一光誘發介電泳晶片，包含：一第一電極層；一第二電極層，其中該第二電極層係與該第一電極層相對設置；一半導體層，設置於該第一電極層上；以及一流道層，設置於該第二電極層與該半導體層之間，該流道層定義一第一流道、一第二流道和一第三流道，其中該第一流道、該第二流道和該第三流道分別用以引導該流體、該些第一微粒子和該些第二微粒子，且該第一流道、該第二流道和該第三流道交會於一會合處；其中該流道層更定義包含該會合處的一投射區域，用以使一圖案化光源投射於其上，從而改變產生於該第一電極層與該第二電極層之間的一電場，其中該電場引導位於該會合處內的該些第一微粒子和該些第二微粒子分別朝向該第二流道和該第三流道移動；以及一不透光卡匣，包覆該光誘發介電泳晶片，其中該不透光卡匣具有一開口，該開口於該流道層之垂直投影係與該投射區域重疊。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光誘發介電泳裝置，其中該第一電極層與該第二電極層包含一透明導電材料。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光誘發介電泳裝置，其中該半導體層包含一間接能隙(indirect bandgap)材料，且該半導體層之晶體結構為非晶、微晶、多晶或單晶。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光誘發介電泳裝置，其中該流道層之厚度大約為30微米至150微米，且該投射區域的尺寸大約為1毫米×1毫米至10毫米×10毫米。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光誘發介電泳裝置，其中該流道層更定義一注入開口、一第一流出開口和一第二流出開口，其中該流體經由該注入開口注入至該第一流道，該些第一微粒子經該第二流道從該第一流出開口流出，且該些第二微粒子經該第三流道從該第二流出開口流出。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光誘發介電泳裝置，其中該光誘發介電泳晶片更包含：一第一緩衝層，其中該第一電極層設置於該第一緩衝層上；以及 一第二緩衝層，設置於該第二電極層上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之光誘發介電泳裝置，其中該光誘發介電泳晶片更包含：一上基板，設置於該第二緩衝層上；以及一下基板，其中該第一緩衝層設置於該下基板上。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光誘發介電泳裝置，其中該上基板與該下基板為一透明基板。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之光誘發介電泳裝置，其中該第一緩衝層用以增強該第一電極層與該下基板之間的晶格匹配(lattice match)，且該第二緩衝層用以增強該第二電極層與該上基板之間的晶格匹配。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光誘發介電泳裝置，其中該不透光卡匣具有一注入接口、一第一流出接口和一第二流出接口，其中該注入接口用以使得該流體注入至該光誘發介電泳晶片，該第一流出接口用以使得該些第一微粒子流出至該光誘發介電泳晶片外，且該第二流出接口用以使得該些第二微粒子流出至該光誘發介電泳晶片外。
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