TWI238195B - Temperature-control micro-biochip and method for producing the same - Google Patents

Description

1238195 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係提供一種溫控式微型生物晶片及其製造方法，利用 微機電系統製程在晶片中形成微型反應槽，並同時製造出微型溫 度偵測器及微型加熱器，再與ic控制器結合，在晶片上形成微 型溫度控制系統。 $ 【先前技術】 近年來，由於微機電製程技術之發展，使得許多原本龐大之 元件得以微小化，人類也逐漸可以藉由微小化之設備，從事以前 所無法進行之實驗，例如：快速蛋白質反應或DNA之複製、分 離以及細胞之操控…等。在眾多微機電研究領域中，將元件應用 於生醫相關領域尤其受到重視。藉由微機電製程技術所生產之微 型生醫晶片，其具有高效能、低樣品消耗量、低耗時、低耗能、 體積小以及成本低等優點，尤其以整合PCR機制於同一晶片上之 設計，最具發展潛力以及市場價值。此種晶片除了具有微型化之 • 優勢外，更免除複雜又昂貴之檢測前處理設備及時間的耗費，使 得單一晶片便具有完整之DNA複製功能。 傳統之PCR溫度循環器係將樣品置於塑膠管中，放入大型 PCR溫度循環器中，產生特定溫度、時間及次數之循環，以複製 出一定量之DNA提供後續檢測使用，以提高生醫檢測鑑別度， 但是因為所需樣本量大，耗費時間往往都超過二小時以上。相對 地，利用微機電製程所製造的微型生醫晶片，將檢測前處理機構 整合於晶片中乃是生物晶片發展之趨勢，此舉除了可降低前處理 成本、減少前處理耗費時間外，並可大幅降低樣本消耗量。然而， 1238195 對於容積不及一微升（μ!〇之反應槽而言，欲製造低成本、低耗能、 製程簡單、溫度上升/下降速率高及溫度穩定性隹的微型溫度控制 系統並不容易，且因半導體製程使用之矽晶片不具生物相容性， 往往必須以耗時且昂貴之製程進行沉積與蝕刻’且置於反應槽外 部之溫度感測器與加熱器會使反應槽壁形成極大的熱慣性，溫度 感測器之溫度值無法反應樣本實際溫度值，且因為反應槽壁的阻 隔，造成加熱器與樣本的溫度梯度，無法產生即時且精確的溫度 循核控制。

【發明内容】 、有鑑於習知微型晶片製造技術上的缺陷和弊病，本發明之目 =提供-種溫L财物^及舖造料，特難應用於 本發明之主要目的係提供—種溫控式微型生 含-微型反應槽，係裝置樣品 片至乂包 係控制前賴ΦΒ ❿了反應之用，及—1C控制器， 制刖述从型反應槽，以提供溫度控制。 前述之微型反應槽至少包一 夕 熱之用；一微型溫度感測哭 "I、、态，係提供樣品加 心、j。。，係偵測微型反應槽内樣品之溫度。 前述微型反應槽進一步4 熱器及微型溫度感測器，以避:短:、彖層係、隔離樣品與微型加 前述之1C控制器係# 1 並對微型加熱器進行控制：处裰型溫度感測器產生之訊號’ fJ產生固定或特定溫度之變化。 本發明之溫控式微型生物晶片，係 供前述1C控制器電源，並 电源彳/、應益，以提 前述1C控制器係可整合气 ：1讀供微型加熱器電源。 玉口及外接於晶片底板上。 1238195 前述晶片底板材料係、可為玻璃、石英或高分子材料，例如： 壓克力（PMMA)、聚石炭酸醋（PC)或聚二甲石夕氧⑦（pDMs); 前述反應槽蓋板材料係可為聚二甲石夕氧院（pDMS)或立他類似 性質之材料。 ' 前述微型加熱器及微型溫度感測器係由電阻層構成，且前述 電阻層係由金屬所製成，例如·· ρί/(^或丁卜 前述絕緣層係為聚亞酿胺（p〇lyimide)或特氣隆（Tefi〇n)。 厨述ic控制器主要包含：一濾波器（filter)，係過爐微型溫度 感測器輸出之訊號’以降低雜訊值，提高信號/雜訊（s/n)比值； =比^Γ訊號轉換器（ADC)，係將類比訊號轉換為數位訊號； J脈衝A度調變ll(PWM) ’係作為判讀溫度訊號，以調變微型 電源脈衝寬度來控制溫度；且前述IC控制器係由一外部 連接之操作面板控制。 本&月之3目的係提供—種溫控式微型生物晶片之製造 片下列步驟：提供一晶片底板；沉積金屬於前述晶 塗佈ΐ阻層；沉積金屬於前述晶片底板上作為導電層； ;二广4晶片底板、電阻層及導電層之表面；模造或姓 4寸疋谷積之反廊捧笔士 · 接導電層及1C控:曰:。 反應槽蓋板與前述絕緣層；及連 刚34 積金屬之方法係可使用蒸鍍法錢鑛法。 使用阻層係作為微型加熱11及微型溫度感測器之用，且其 使用之金屬，例如:Pt/cePt/Ti，較佳w 如述導電層之金屬. A1/Cr 、* 蜀例如.AU/Cr、Au/Ti、Ag/Cr、Ag/Ti、 A Α1/Τι，較佳係為 Au/Cr。 之車又乜貝施例係利用本發明上述之溫控式微型生物 1238195 晶片進行PCR反應，利用微小元件（例如：微型加熱器與微型溫 度感測器）之高頻率響應特性，透過1C控制器連結，對特定區 域内之樣品進行溫度控制，解決傳統設備或已知晶片之高耗能、 高費時、高樣品需求量與低溫度控制精確度問題，可有效提高PCR 之溫度穩定性，其應用係可進一步與毛細管電泳（CE)微型管道 整合於同一晶片上，形成整合型PCR-CE晶片。 【實施方式】 • 本發明係有關一種溫控式微型生物晶片及其製造方法，其諸 多優點與特徵將從下述詳細說明並配合圖式得到進一步的瞭解。 如圖一所示，本發明之溫控式微型生物晶片之裝置100主要 由兩大部分所組成：第一部份係為晶片10;第二部分係為電源供 應器40。 前述晶片10，至少包含一微型反應槽20，係裝置樣品以進 行反應之用；及一 1C控制器30，係控制前述微型反應槽20，以 提供溫度控制。前述之微型反應槽20至少包含：一微型加熱器 φ 21，係提供樣品加熱之用；一微型溫度感測器22，係偵測微型反 應槽20内樣品之溫度；及一絕緣層23，係隔離樣品與微型加熱 器21及微型溫度感測器22，以避免短路。 前述之微型反應槽20主要係由晶片底板11與反應槽蓋板24 所構成，其内部微型加熱器21及微型溫度感測器22之構造如圖 二所示，藉由前述1C控制器30控制前述微型加熱器21，可使樣 品溫度上升或下降，並可透過微型溫度感測器22即時偵測樣品 溫度，達到精確控溫之效果。 前述晶片10，係經由一電源線43連接一電源供應器40，以 1238195 提供前述1C控制器30電源，並透過1C控制器30提供微型加熱 器21電源，以於微型反應槽20内產生不同之溫度變化。前述1C 控制器30係可整合或外接於晶片底板11上。 接下來參考圖三，係本發明之微型生物晶片之溫度控制系統 200示意圖。此溫度控制系統200主要之操作方式如下：首先將 樣品置於晶片10上之微型反應槽20内，之後藉由1C控制器30 處理經由微型溫度感測器22產生之訊號，並對微型加熱器21進 行控制，產生固定或不同特定溫度變化。該溫度係由微型溫度感 φ 測器22量測溫度並將訊號傳送至1C控制器30，透過1C控制器 30内預先燒錄的溫度變化模式，將可依據此溫度訊號進行對微型 加熱器21電壓脈衝的控制，使微型反應槽内20之樣品溫度依設 定模式進行變化，以進行各種生化反應。前述之1C控制器30之 電源係由電源供應器40提供，並透過1C控制器30，提供微型加 熱器21及微型溫度感測器22電源。 前述之1C控制器30主要包含：一濾波器（filter)31，係過濾 微型溫度感測器輸出訊號，以降低雜訊值，提高信號/雜訊（S/N) 比值；一類比/數位訊號轉換器（ADC)32，係將類比訊號轉換為數 ® 位訊號；及一脈衝寬度調變器（PWM)33係作為判讀溫度訊號，以 調變微形加熱器電源脈衝寬度來控制溫度；且前述1C控制器30 係由一外部連接之操作面板44控制，以輸入溫度及時間參數等 資料。 本發明之溫控式微型生物晶片10之製造方法，將分為反應 槽蓋板24及微型反應槽20兩部分詳述如下： 圖四係顯示本發明之晶片10上之反應槽蓋板24之製造方法 示意圖，至少包含下列步驟：首先，提供一反應槽蓋板母模41， 其係利用一矽晶片或其他類似材料，將特定面積之區域蝕刻至固 1238195 定深度’如圖四（A)所示；之後’如圖四（B)所示，將聚二甲 矽乳烷（PDMS) 42依適當配方比例調製 、，、土 , m yL , j n衣而成，亚澆灌於前述母 杈4】上，固化之後即形成反應槽蓋板24,如圖四（〇所示。 圖五係顯示本發明之微型反應槽2()之 立 .,. 不"乃〉不思圖’至

=各下列步驟“如圖五⑷所示，提供晶片广以反u ;沉積金 屬（例如：麵/鉻）於前述晶片底板U上作為電阻層5〇，兮電阻層 分別形成如前述圖—所示之微型加熱器21與微型溫度M 圖五⑻所示，沉積金屬（例如：金/鉻)於前述晶片底 板11及祿層50上作為導電層51;如圖五（c)所示’塗佈絕 緣層23於前述晶片底板u、電阻層5。及導電層51上，用以隔 離樣品與電阻層50與導電層51，避免短路；最後，如圖五（^) 所示，將前述如圖(C)所示之反應槽蓋板24與絕緣層23接 合，即製成微型反應槽20。 β前述之晶片底板11係可為玻璃、石英或高分子材料，例如： 壓克力（ΡΜΜΑ)、聚碳酸_ (PC)或聚二曱石夕氧烧（pDMs)。 W述形成電阻層50之金屬，例如：Pt/Cr或pt/Ti，較佳係 為Pt/Cr。前述之形成導電層51之金屬，例如：Au/cr、Au/Ti、 Ag / Cr、Ag / Ti、A1 / Cr 或 Al / Ti，較佳係為 Au / Cr。 前述沉積金屬之方法係可使用蒸鍍沉積法、濺鍍沉積法或其 他類似之方法。 前述之絕緣層23為介電絕緣層，係使用生物相容性材料， 例如··聚亞醯胺（P〇lyimide)或特氟隆（Tefl〇n)，較佳係為聚亞 醯胺。 利用本發明上述之微型反應槽2〇之製造方法並配合IC控制 為30及電源供應器40，形成如圖一所示之溫控式微型生物晶片 10 1238195 裝置100，係可應用於各種需要精確溫度控制之微型生物反應器 上，例如··進行PCR反應複製DNA之技術中所須之溫控系統。 以下將由一高效能之微型PCR晶片之實施例加以詳細介紹。 產效能微型PCR晶片實施例 使用如前述圖一之裝置100形成一溫控式微形PCR晶片，其 測試結果如圖六所示，係顯示本發明溫控式微型PCR晶片之溫度 感測器性能曲線圖，其顯示電阻值與溫度變化為一線性關係，其 斜率（電阻溫度係數）為0.00315，因此，在PCR溫度操作範圍内 • 可提供準確的溫度訊號。 如圖七所示，係本發明運用在維持微型反應槽為38cc恆溫之 控制曲線圖’其樣品體積為900 nL，結果顯示，本發明之溫控式 PCR微型晶片在單一溫度之條件下，可達到良好之恆溫控制。圖 八係顯示本發明之PCR溫度循環曲線，其樣品體積為9〇〇 nL，溫 度上升速率為20°C/sec，溫度下降速率為i〇°c/sec，平均使用功 率為1.24 W。結果顯示，本發明之溫控式Pcr微型晶片可於短 時間内昇溫及降溫，且溫度準確度為±〇. 1 QC。 • 利用本發明之溫控式PCR微型晶片，所需之樣品量極少，為 傳統PCR溫度循環器之二十分之一以下，對極少量之樣品亦可進 行PCR複製，以利後續生醫檢測分析之進行。

本發明之PCR實施例係使用HTR6為引子，其長度為248bps (base pairs)，PCR 樣本内共包含 DNA 300nL、HTR6 36nL、緩衝 液 90nL、Mg++ 54nL、dNTP 72 nL、Taq 6 nL 及水 342nL，混合 成為總體積為900 nL的PCR樣本，置入微型PCR晶片反應槽中， 進行歷時15分鐘的32次PCR溫度循環，其DNA複製量即可達 到供後續電泳分析之最少量。圖九係比較使用本發明之微型PCR 1238195 晶片與傳統PCR溫度循環器（歷時2.5小時）之複製DNA的平板膠 電泳分析圖，從結果可知本發明以較短的PCR溫度循環時間（15 分鐘）即可達到相當好的DNA複製效果，以供電泳分析。傳統 PCR溫度循環器，其DNA亮度較佳之原因為樣本量較大（25 μ!〇, 且其溫度循環時間較長，因此，其DNA量是遠多於本發明之PCR 實施例，而使用本發明之溫控式PCR晶片，則可於很短的時間 内，以微量之樣品進行DNA複製以供後續各種生化分析。 以上所舉之本發明之實施例只要不脫離本發明之要旨，可進 φ 行種種晶片上設計之變更，其保護範圍由以下之申請專利範圍所 界定。 【發明之功效】 本發明係提供一種溫控式微型生物晶片及其製造方法，相 較於習知之技術，其優點如下：一、本發明係可快速、簡單、可 靠地製作一溫控式微型生物晶片，其微型反應槽製程完全由生物 相容性材料直接形成，不需使用任何昂貴之化學氣相沉積或電漿 蝕刻設備，僅需標準光刻顯影及金屬薄膜沉積步驟，輔以極為簡 ^ 易之接合技術則完成本發明之前述晶片。二、本發明係以相同金 屬同時蒸鍍於晶片底板上而形成微型溫度感測器及加熱器，簡化 金屬沉積步驟。三、本發明所需之樣品量極少，因此，對極少量 之樣本亦可進行各種生化反應。四、本發明之微型加熱器與溫度 感測器皆置於微型反應槽内，可得即時的溫度量測值，並進行精 確的溫度控制。五、本發明採用自然冷卻方式，不需加裝任何散 熱裝置即可達到10 Y/sec之溫度下降率，可降低材料成本、消耗 功率及溫度循環時間。六、本發明晶片上之反應槽溫度上升及下 降速率極大，可有效降低反應中的調溫等待時間。 綜上所述，本發明可廣泛被利用於生化分析、醫療檢測、刑 12 1238195 事鑑定等各種分析領域之前處理裝置，以增進人類社會之福祉。

13 1238195 【圖式簡單說明】 圖一係本發明之溫控式微型生物晶片裝置之剖面圖。 圖二係本發明之晶片上微型反應槽内部構造之俯視圖。 圖三係本發明之微型生物晶片之溫度控制系統示意圖。 圖四係本發明之反應槽蓋板之製造方法示意圖。 圖五係本發明之微型反應槽之製造方法示意圖。 圖六係本發明溫控式微型生物晶片之溫度感測器性能曲線圖。 • 圖七係本發明溫控式微型生物晶片之38°C恆溫曲線圖。 圖八係本發明溫控式微型生物晶片之PCR實施例溫度循環曲 線圖。 圖九係本發明溫控式微型生物晶片之PCR實施例在複製DNA 後的平板膠電泳分析圖。 【主要元件符號說明】 101 溫控式微型生物晶片裝置 200 —溫度控制糸統 12 — 晶片 13 — 晶片底板 20 …微型反應槽 25 —微型加熱為 26 微型溫度感測器 27 …絕緣層 28 —反應槽盖板 14 1238195 30 …1C控制器 40 —電源供應為' 52…反應槽蓋板母模 53…聚二甲矽氧烷（PDMS) 54…電源線 55 —操作面板 50 …電阻層

51 …導電層

Claims (1)

1238195 Pt/Cr 或 Pt/Ti。 9·如申請專利範圍第1項所述之晶片，其中前述之iC控制器主要包人. 濾波器(filter); —類比/數位訊號轉換器(ADC);及一脈衝寬度碉織哭 (PWM)，且前述1C控制器係由一外部連接之操作面板控制。 10·如申請專利範圍第2項所述之晶片，其中前述之絕緣層係為聚亞酸胺 (polyimide)或特氟隆（Teflon)。 11·一種溫控式微型生物晶片之製造方法，至少包含下列步驟： 提供一晶片底板； 沉積金屬於前述晶片底板上作為電阻層，該電阻層係作為微型 加熱器及溫度感測器之用； 沉積金屬於前述晶片底板上作為導電層； 塗佈絕緣層於前述晶片底板、電阻層及導電層之表面· 模造或钱刻特定容積之反應槽蓋板； 接合反應槽蓋板與前述絕緣層；及 連接導電層及1C控制器。 12. 如申請專利範圍第丨i項所述之製造方法，其中前述之其中前述之晶片底 板材料係可為玻璃、石英或高分子材料。 13. 如申請專概圍第丨2項所述之製造方法，其帽述之高分子材料係可為 壓克力（PMMA)、聚破義（PC)或聚二甲石夕魏（pDMS)。 Η·如申請專概圍第Π項所述之製造方法，其中前述電阻層之金屬係可為 Pt / Cr 或 Pt / Ti 〇 17 1238195 15·如申請專利範圍第14項所述之製造方法，其中岫述金屬較佳係為Pt/Cr。 16.如申請專利範圍第u項所述之製造方法，其中丽述導電層之金屬係可為 Au / Cr、Au / Ti、Ag / Cr、Ag / Ti、A1 / Cr 或八1 / 丁1。 17·如申請專利範圍第項所述之製造方法，其中鈾述金屬較佳係為Au / Cr。 18·如申請專利範圍第η項所述之製造方法’其中别述沉積金屬之方法係可 使用条錢法或賤鏡法。 19.如申請專利範圍第η項所述之製造方法，其中前述絕緣層係為聚亞醯胺 (polyimide)或特氟隆（Teflon) 〇 20·如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中前述之反應槽蓋板材料係 可為聚二甲矽氧烷（PDMS)或其他類似性質之材料。 21·如申請專利範圍第1項所述之晶片，其中前述溫控式微型生物晶片係為 一溫控式微型PCR晶片。 18