TWI227173B - Thermally-conductive biological assay trays - Google Patents

Description

1227173 玖、發明說明： 相關申請的相互參考 本申請專利範圍已於2002年4月15日在美國提出申請，臨 時字號為60/373,014。 【發明所屬之技術領域】 本發明一般係關於生物測定盤。尤其是本發明係關於熱 傳導性，生物測定盤及其製造方法。該測定盤由一包含一 種聚合物基質及一種熱傳導材料之聚合組合物所製成。 【先前技術】 生化研究及醫學實驗室應各種目的而採用生物測定盤， 包括分析及測定遺傳物質、細胞、織組培養、免疫複合物 及同類物質。一般而言，生物測定法用來檢測一個樣品中 是否存在某種物質（如：蛋白質）及其濃度。 這些測定法通常施行於含有整齊排列多重小凹槽的盛 盤。典型的盛盤含有20、24、48或96個小凹槽，每個凹槽 内所盛的液體只有微升的量。這些凹槽可以有各種不同型 狀。雖然也有方型凹槽，但凹槽的上部通常是圓型。凹槽 的底部可以是平面型、圓型、V字型或U字型。生物測定牵 涉到一系列的步驟，取決於所施行測定技術的特有型式。 大體而言，這些技術包括有，將欲分析的液態樣品放到這 些小凹槽中，加入各種液態試劑，保溫培育及冷卻樣品， 洗滌樣品數次以及其他步聚。液態試劑的加入及樣品洗滌 通常使用人工或自動的吸量管。 免疫測定法常用來分析生物物質。許多免疫測定的程序 84894 -6- 1227173 包含一種抗原-抗體複合物的形成。免疫測定程序可以用來 檢測體液中抗原的存在，如，全血，血清，血漿及尿液。 一般，抗體可以是任何體内的免疫球蛋白，因反應於特定 抗原而產生。特定的抗體與特定的抗原結合形成抗體_抗原 複合物。在樣品中該結合反應常造成肉眼可以分辨的沉殿 或凝集。然而，在許多情況下，必須使用特殊的儀器來分 析該抗體-抗原複合物的存在與否。 在許多的免疫測定法中，該複合物的其中一個成分（例 如：抗原或抗體）是固定在位於測定盤小凹槽内的一固體支 持表面上，致使整個複合物被固定在該表面上。這些盛盤 凹槽内的固定化固相複合物可以使用液體試劑洗滌、培 育、分離及處理。這些測定法通常與免疫吸附劑或固相測 定法有關。習用的固相測定法包含有，例如：酵素免疫測 定法（EIAs)，放射免疫測定法（RiAs)及螢光免疫測定法 (FIAs)，其中免疫吸附物質為有孔小珠，小盤或其他固態支 持物質等型式。 如上所述’免疫測定法及其他生物測定法包含有加熱及 冷卻盛盤數次，以培育盤中内含物並將其冷卻至適當溫 度。盛盤加熱及冷卻的時間是一個決定某段期間内可實施 多少個分析測量法之因子。該加熱及冷卻所需時間影響分 析試驗的成本及效率。使用金屬測定盤，加熱及冷卻可以 快速執行。然而’大部份的金屬會干擾盛盤凹槽内或檢測 方法中所使用的反應物；因此，不常使用金屬測定盤。即 使一個金屬測定盤（如不銹鋼或鈥盤）不會干擾這些反應 84894 1227173 物，但其生產成本相當高。再者，許多實驗室希望測定盤 在單次使用後即丟棄。對單次使用而言，組裝的金屬測定 盤就非常昂貴。 因此’生化研究及醫學實驗室通常使用塑膠生物測定 ^這些測足盤由生物墮性物質所製造，且生產成本相當 便1：。例如：該盛盤可由聚合物所製成，如··聚苯乙醯， 聚乙醯，聚丙醯，丙缔酸鹽，異丁酸鹽，丙烯酸（壓克力卜 聚丙醯胺酸以及乙烯基聚合物如：氯化乙醯及聚氟化乙醯。 這些塑膠盤终多是由射出成形的方法製造，而且可以有 各種不同的形態。 例如，Astle的美國專利5,225，164揭示了一個微碟盛盤， 其内為直線形狀且具有頂端開口的凹槽，可以分析液態試 劑及其他樣本物質。該凹槽可含有隔板以促進混合，並增 加氧氣傳入凹槽内液體的速率。該專利揭示了該盛盤的成 分可以由成形的聚苯乙醯所構成。

Peters的美國專利4,299,92〇揭示了 一個細胞培養或生物 試驗用的容器，其包含一基底盤及一連結於基底盤上可拆 卸及防水的内壁構件。該專利揭示了此基底盤具有彈性， 可由聚苯乙醯，聚碳酸鹽，氟化聚碳氫化合物，或玻璃來 製造。該專利更進一步揭示其内壁可由塑膠合成物質來製 造，如··聚氯乙醯，聚胺甲酸酯彈性體，聚氯亞乙醯，甲 基化橡膠，氯化橡膠或氟碳彈性體。

Studer的美國專利4,〇90,920揭示一種具有許多測試凹槽 或小1之生物培養測試盤。該測試盤是一種成形塑膠所製 84894 1227173 可棄式透明的構造。该專利揭示了該模塑盤可由甲基異 丁烯酸，乙烯樹脂或任何生物堕性聚合 =吟人的謝㈣19简示了=裝樣品物 質的谷器，樣品在容器内進行加熱與冷卻的程序。該容器 可用在醫學，化學及生物技術領域。容器本身由三層構造 組成’其中'層由含有一樹脂及由陶资'金屬及碳組成之 群中選出之無機填充料所製成。 然而，習用的塑膠測定盤有一些缺點。尤其是，習用的 塑膠測定盤通常熱傳導性極差。使用此類已知的塑膠盤致讀 使測足法的加熱及冷卻效率低落。事實上，許多塑膠盤的 設計目的為擁有良好的熱絕緣性質。然而，此類塑膠盤的 加熱及&卻時間可能相當長，並增加測定程序的成本。此 外，塑膠盤熱傳導性差可能無法均勻地將熱傳到盤内的每 個凹槽。塑膠盤不均勻的加熱可能導致凹槽間發生溫度梯 度，並影響槽中内容物的分析。 鑑於習用生物測定盤的前述缺點，因此需要一具良好熱 傳導性質之改良測定盤。眾所期待能有一種可以迅速加熱# 及冷卻的測足盤，以改善測定法的效率。本發明具有此類 生物測定盤及其製造方法。 【發明内容】 本發明係關於熱傳導性生物測定盤及製造該測定盤的方 法。 大體上，该熱傳導性聚合組合物包含a)以重量計2〇%到 80%的聚合物基質，b)以重量計2〇%到80%的非金屬性熱傳 84894 1227173 導物質。蔹聚合物基質可以是一種熱可塑性或熱硬化性聚 合物。例如，可用硫化聚苯烯製造該聚合物基質。非金屬 性熱傳導物質較佳為選自陶瓷、氧化物及碳材料。例如， 非金屬性熱傳導物質可以是氮化硼，氮化矽，氧化鋁（明 馨）’氧化碎’氧化鎂或碳石墨。 準備一溶化的聚合組合物，併將該組合物注入模具裡， 然後從模具中將組合物移出，即形成一網狀成形的、熱傳 導性之生物測定盤。 較佳的，生物測定盤具有大於3 W/m°K之熱傳導性，更 佳為大於22 W/m°K。 【實施方式】 本發明係關於熱傳導性生物測定盤及其製造方法。該測 定盤由具有高熱傳導性的聚合物組合物所製造。該聚合組 合物包含一聚合物基質及散布其中的熱傳導性物質。 在一標準的螢光「三明治」免疫測定技術中，生物測定 盤的凹槽内含有一種具免疫吸附劑的支持表面（如，一種瓊 膠被覆的玻璃小碟或有孔小珠）。一種能與被分析抗原反應 的未標識抗體固定在孔狀玻璃小碟上。一含有該抗原的液 體注入該小碟，以便抗原分子能反應並結合在固定化的抗 體上。然後，將一含有已標識可檢測螢光標記（如一種螢光 分子）的抗體分子溶液注入該有孔小碟中。該被標識的抗體 分子與抗原分子結合，在小碟上形成一種三明治的層狀構 造。該層狀構造包含未標識的抗體、抗原及已標識的抗體。 使用螢光分光光度計測量該已標識抗體的存在及濃度。 84894 -10- 1227173 在另一個已知的螢光免疫測定程序中，與溶液中被檢測 抗原同免疫型的抗原’吸附在支持小碟上。將該含有吸附 抗原的小碟浸沒在一含有已標識抗體及待檢測抗原的溶液 中。該標識抗體快速地與溶液中待檢測抗原反應並結合， 因而芫成此反應。沒有與溶液中抗原反應之過多的標識抗 體’將與固定在支持表面的抗原反應。接著，該支持表面 以緩衝溶液洗滌。然後，使用螢光計或其他適當的儀器， 來分析該支持表面上標識抗體-抗原複合物的存在。 在此類螢光免疫測定技術中，重要的是包含在測定盤中 的聚合物基質必須具有相當低的螢光度，以便背景螢光度 能維持最低，並且不干擾測試讀取的進行。背景螢光度能 掩蓋真正的螢光度致使精確的讀取難以獲得。換句話說， 基底聚合物的螢光度必須夠低，才不致干擾螢光免疫測定 私序熱可塑性聚合物係選自由下列各物組成之群：聚碳 酯’聚乙烯，聚丙烯，丙締酸（壓克力），乙烯基化合物，氟 碳化物，聚醯胺，聚酯，硫化聚苯烯，及液態晶體聚合物 如·熱可塑性芳香聚酯，均能用來合成該基質。具有相當 低勞光度的液態晶體聚合物，不會干擾標識抗體-抗原複合 物螢光度的讀取，為特佳的。另一選擇為，使用熱硬化聚 合物如’彈性體、環氧化物、聚醯亞胺及丙缔腈。合適的 彈性體包括，例如，苯乙烯-丁二烯共聚合物、聚氯丁二烯、 腈基橡膠、丁基橡膠、聚硫化橡膠、乙烯-丙烯共聚合物、 多碎氧燒（聚矽氧）及聚胺甲酸酯。大體而言，該聚合物基質 以重量計佔總組合物約20至80%，更特別的約佔4〇至8〇%重 84894 -11 - 1227173 量比 ^本發明中’將非金屬㈣熱料性材料加人並散怖在 聚，物基質中。該材科賦予非傳導性的聚合基質散傳導 性。重要的是使用非金屬性材料，因為金屬間的冷染物能 與測足盤凹槽内的反應物反應並結合，造成分析上的問 題。再^，該熱傳導性材科應具低勞光性，所以對上述的 反應而言能維持最低的背景螢光度。 適合的非金屬性熱傳導材料包括，金屬氧化物，如：氧 化銘（明礬）、氧化鎂、氧化鋅及氧化鈇；陶资，如：氮切、 氮化銘、'氮化棚、碳化爛；及碳材料，如：黑碳或石墨。 上述填充物的混合物亦是合適的。大體而言，該熱傳導性 填充物包含以重量計佔總級合物約2〇至8〇%，更特別的佔 約30至60%重量比。 該熱傳導性材料可以是雌狀、細粒粉末、細絲狀、纖 維狀或任何適當的形式。顆粒或鈿粒可以有多樣化的結 構，顆粒大小的分布也可以很廣。例如，㈣粒或細粒可 以有薄片，盤狀，米粒，線繩，六角形或似圓球的各種形 狀，顆粒大小範圍從〇·5到300微米。較佳的是比較小的顆 粒大小（如：小於1微米），因為此類顆粒比較不會反射來自讀 取樣品的螢光計或其他儀器的光束，更詳細說明如下。在 某些實例中，該熱傳導性材料有相當高的樣態比例（長對 寬），大約10:1或更高。例如，可以採用具有約5〇:1高樣態 比例的瀝青系（PITCH-based)碳纖維。或者，具有相當低樣 態比例的該熱傳導性材料，約5:1或更低。例如，可採用樣 84894 -12- 1227173 態比例約4:1的氮化硼細粒。低與高樣態比例的材料均可加 入如McCullough的美國專利6,048,919中所描述之聚合物基 質中，其揭示内容以引用的方式併入本文中。特別的，本 發明的組合物可包含以重量計約25到60%的熱傳導性材 料，其具有約10:1甚至更高的高樣態比例，以及以重量計 約10到2 5 %，具有約5 :1甚至更低外觀比例的熱傳導性材料。 一選擇性的加強材料可加入聚合物基質中。該加強材料 可以是玻璃、無機礦物質或其他合適的材料。該加強材料 增強聚合物基質。若加入該加強材料，以重量計約佔組合 物的3-25%。 該熱傳導物質及選擇性的加強材料與非傳導性的聚合物 基質充分混合，形成聚合組合物。必要時，該混合物可能 包含添加物，如，防燃劑，抗氧化劑，塑化劑，分散劑， 及脫模劑。較佳此類添加物為生物堕性物質。該混合物可 用此項技藝中已知之技術來製備。 再者，如上所述，在一些測定法中，如，螢光免疫測定 法及酵素免疫測定法，讀取的步騾包括將光束穿過測定盤 中的凹槽並「讀取」凹槽的内容。本發明聚合組合物用來 製造生物測定盤較不會干擾入射的光束，尤其是，該聚合 組合物分比較不會反射光束。因此，可以得到更精確的讀 取數值及測I。在某些彳β況下’該聚合組合物可以使用黑 碳染成黑色’以使該組合物能更有效率地做為紫外線吸收 物並減低光束的反射。 較佳的該聚合組合物具有大於3 W/ml的熱傳導性質， 84894 -13- 1227173 更佳的可大於22 W/mQK。這些良好的熱傳導性質使測定盤 能有效率地加熱及冷卻。再者，因用於製造測定盤的聚合 組合物具有良好的熱傳導性，熱可以均勻地傳到測定盤的 所有凹槽。因此’凹槽間幾乎不可能有顯著的溫差，也就 可以獲得更精確的讀取數值。 此產生的聚合物可以用適當的成型法成形生物測定盤， 諸如’溶融擠壓成型，澆注成型，或射出成型。 大體而言，射出成型包括的步騾有：幻將組合物進料到 製模機器的加熱室中，並將組合物加熱成熔解組合物（液態 塑膠），b)將熔解組合物注入模具腔中；c)將模具中組合物 維持在高壓下直到其冷卻；及句將成品移出。 孩製模生產出一種「網狀模」的生物測定盤。該生物測 足盤的最終形狀取決於模具内的形狀。並不需要進一步的 處理、沖壓、加工或其他的修整來產生生物測定盤的最終 形狀。 應了解本發明之生物測定盤為單層結構。將該熱傳導性 聚合組合物模造成測定盤裝配，其包含一測試凹槽散布在 其中的平臺。該測定盤裝配（平臺及凹槽）為一整體單元化構 造’其由上述的聚合組合物所製成。該測定盤裝配並不包 含一由具有一種程度的熱傳導性之第一聚合組合物所製造 的内層’及由具不同的熱傳導性之第二聚合組合物所製造 的外層。 邊生物測定盤可視所欲形式而有各種形狀與結構。例 如’依照本發明製造具有如圖一之設計的一種熱傳導性生 84894 -14- 1227173 物/則足盤。在圖1中，此生物測定盤以1 〇表示，該盤包括一 平堂12 ’其含有多個測試凹槽14(嵌壁式的的部份）散佈其 中。測试凹槽則以行列方式排列。 在圖2中’為一含有樣品液體16之單一測試凹槽14。該測 忒凹槽14具有圓形的上半部18及V字形的下半部20。應瞭解 的疋該測試凹槽14的構造可以有別於圖2的設計。測試凹槽 14的&適形狀非常多樣。例如，測試凹槽的上部可以是方 形，下邵可以是圓形、平的，或結構。 本發月之生物測定盤具有良好的熱傳導性質。較佳的， 4測疋盤具有大於3 w/m〇K的熱傳導性，且更佳的為大於Μ W/m K。使$ |發明之測定盤，可以讓各種《疫測定法之 加熱及冷卻的步騾有效率地施行。 熟相此藝者應了解，對於實施例說明之各種變化及修正 不會背離本發明之原意。所有此等的修正及變化應涵蓋於 所附的申請專利範圍中。 【圖式簡單說明】 本發明特徵之新穎特性，發農私p 贫衣於所附的申請專利範圍 中。然而，本發明的較佳實施例與更進一步之目的及其伴 隨的利益，藉由參照下列附圖之詳細圖說而能更明瞭/，、並 中： ’、 明之熱傳導性 圖1是一生物測定盤的透視圖，其依照本發 聚合物所製造；及 測試凹槽的透視圖 圖2是配置在圖1測定盤内之單一 84894 -15· 1227173 【圖式簡單說明】 10 生物測定盤 12 平臺 14 測試凹槽 16 樣品液體 18 圓形上半部 20 V字形下半部 84894 - 16 -

Claims (1)

1227173 拾、申請專利範圍： 1 ♦ 一種熱傳導性生物測定盤，其包含一種具多重測試凹槽 散布其中的平臺，該平臺包含一種聚合物組合物，該組 合物包含：i)以重量計約20到80%的一種聚合物基質， 及ii)以重量計約20到8 0 %的'一種非金屬性、熱傳導物質。 2·如申請專利範圍第1項之測定盤，其中測定盤的熱傳導性 大於 3 \ν/ιη°Κ。 3 .如申請專利範圍第1項之測定盤，其中聚合物基質包含一 熱塑性聚合物。 4·如申請專利範圍第3項之測定盤，其中熱塑性聚合物係選 自由下列各物組成之群：聚碳酯、聚乙烯、聚丙烯、丙 缔酸（壓克力）、乙烯基化合物、氟碳化物、聚醯胺、聚酯、 硫化聚苯烯、及液態晶體聚合物。 5 ·如申請專利範圍第1項之測定盤，其中該聚合物基質包含 一種熱固性聚合物。 6·如申請專利範圍第1項之測定盤，其中該熱傳導性材料係 選自由下列各物組成之群：陶瓷、金屬氧化物及碳材料。 7·如申請專利範圍第6項之測定盤，該其中該熱傳導性材料 係選自由下列各物組成之群·氮化碎、氮化测、氧化銘（明 象）、氧化鎂及碳石墨。 8.如申請專利範圍第1項之測定盤，其中聚合組合物進一步 包含：（iii)一加強材料。 9·如申請專利範圍第8項之測定盤，其中該加強物質為玻璃。 10.—種製造網狀成形、熱傳導性生物測定盤之方法，其包 84894 1227173 含步騾為： a) 提供一種溶解的組合物，包含：i)以重量計約20到 80%的聚合物基質，及ii)以重量計約20到80%的非金屬 性、熱傳導性物質； b) 將該熔解的組合物注入模具中； c) 將組合物脫模，以形成一包含一其中具有多重測試 凹槽的平臺之網狀成形、熱傳導性生物測定盤。 11·如申請專利範圍第10項之方法，其中該測定盤具有大於3 W/m°K的熱傳導性。 12·如申請專利範圍第10項之方法，其中該聚合物基質包含 一熱塑性聚合物。 1〇.如申请專利範圍第11項之方法，其中該熱可塑性聚合物 係選自由下列各物組成之群：聚碳酯、聚乙婦、聚丙烯、 丙缔酸（壓克力）、乙缔基化合物、氟碳化物、聚醯胺、聚 酉旨、硫化聚苯烯及液態晶體聚合物。 14. 如申請專利範圍第1〇項之方法，其中該聚合物基質包含 —種熱固性聚合物。 15. 如申請專利範圍第H)項之方法，其中該熱傳導性材料係 選自由下列各物組成之群：陶资、金屬氧化物及碳材料。 16·如中請專利·第15項之方法’其中該熱傳導性材料係 選自由下列各物組成之群：氮化碎、氮化翊、氧化銘（明 象）、氧化鎂及碳石墨。 17.如申請專利範圍第10項之方法，其中該組成分進一步含 有加強材料。 " 84894 -2 -