TWI314992B - Stepping flow chip with multiple microchannels - Google Patents

Description

1314992 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種微流體晶片，特別是有關於一種 具流體步進流入多管微流道效果的微流體晶片。 【先前技術】 利用微流體晶片進行生物醫學檢測或分析，具有降 低人工操作的實驗誤差、提高系統穩定度、降低耗能與 樣品用量，以及節省人力與時間等優點。 然而在微流的世界中，許多的現象與所需要考慮的 因子都大異於平常所熟悉的世界之中，流體性質如表面 張力的影響隨著管道尺寸的變小已漸漸大於重力所產生 的影響。雖然元件尺寸變小，但對於所需要檢測的試劑 液體卻仍相對的希望能夠盡可能的增加在一晶片上。但 在晶片上增加檢測的流道的同時往往會因為流體流阻的 問題，造成流體只流經最低流阻的微流管道而流阻稍微 大的微流管道則沒有檢測的流體流經過，因此在微小的 元件裡如何能夠同時提供多條管道一個穩定的流量，以 及要如何避免流體只流經某一特定的管道，已經是一個 重要且刻不容缓的課題，但是由於元件的微小化，許多 原本習以為常的物性或化性參數便需要重新的評估。 生物分析系統(Bioanalytical System)公司所生產的驅 動幫浦（Bee Syringe Pump)可以一次提供最多三個非獨立 的動力源來驅使流體進入微管道中，但其缺點為三個動 力源非獨立且設備昂貴，當流體導入晶片之後仍需克服 流體只往低流阻之通道流的現象。2000年魏普爾（Wapner) 即提出流體若在尺寸小的管道中流動時，重力的影響已 經不在佔有舉足輕重的角色。相反原本許多可被忽略之 1314992 ί數=面張ΓΓί著尺寸的變小轉變成為決定因子如 Μ何形狀的改變而改變，二::通 題。至2002年麥尼利(McNeely)提出由單—驅動

Si二I多管前進的分流方法，利用流體充、滿‘ 勾流動的效果，如第四Α圖與第四Β圖所示。在此 先充滿其一的流道到達第-個的篮口，：序

:各流道歷經時間均等，缺點是各流道非在同：時= 歷相同的流體’無法達到同時處理的模式且複雜二 ^寸加工亦屬不易。亦有研究團隊提出多層板與多孔膜 閥（porous membrane valve)組裝晶片，係 流體阻力增加的效果’達成均勾“=果: 在此WF ’晶片的製作成本增加，不適拋棄式使用。 微流=計流體均勻流經多管微流道的 【發明内容】 曰ΐ發t主要目的係提供—種步進式多管微流道周 曰片’其利絲面改質方式料t微流道的部分内辟 3質，為複數個微形疏水區’以做為流體流經的溢口, 藉該，，形疏7JC區的設計’可使流體均勾穩定地流經晶 片上該等微流道，進而可充分利用該晶片的 = 該晶片上的流體量。 』儿曰加 為達到上述目的，本發明提供一種步進式多管微流 道周流晶片，其包括一晶片基板’係具有一微流道區： 6 1314992 一液體收集區，該微流道區具有呈陣列排列的複數親水 性微流道，每一該親水性微流道内壁形成複數個微形疏 水區，並且該等親水性微流道内的該等微形疏水區係呈 多重陣列排列，該液體收集區係連通於該等親水性微流 道。 本發明係藉該等親水性微流道内壁呈多重陣列排列 的該等微形疏水區做為流體流經的隘口，以使流體被導 入該微流道區時可以步進地流經每一該親水性微流道， 以同時提供該等親水性微流道均勻穩定的流體流量。 > 另一方面，本發明亦提供一種不同態樣之步進式多 管微流道周流晶片，其包括一晶片基板，係具有一微流 道區、一被動閥件區及一液體收集區，該被動閥件區係 連通於該微流道區與該液體收集區之間，該微流道區具 有呈陣列排列的複數第一親水性微流道，該被動閥件區 具有呈陣列排列的複數第二親水性微流道，每一該第一 親水微流道連通一該第二親水微流道，並且每一該第二 親水微流道内壁形成複數個微形疏水區以供做被動閥 | 件，並使得該等第二親水微流道内的該等微形疏水區呈 多重陣列排列，每一該第二親水微流道係連通於該液體 收集區。 同上述，本發明利用該被動閥件區呈多重陣列排列 的該等微形疏水區做為流體隘口，以使流體可步進地流 經該被動閥件區的該等第二親水微流道，進而使流體可 以流經該微流道區的該等第一親水微流道。 本發明可以在不增加元件的前提下只經由表面處理 方式，而避免流體僅流經晶片上單一特定管道，使得晶 片上的多管微流道均可獲得充分利用。本發明微流體晶 7 1314992 片結構簡單，易於製造，流體工作流速範圍大，可應用 於細胞培養、細胞對藥物檢測或生化檢測等。 【實施方式】 本發明提供一種步進式多管微流道周流晶片，係利 用微流管内壁表面改質來產生不同效果之毛細現象，如 第五圖所示，以造成微流管内流阻的改變。簡單來說， 當流體對管壁的附著力大於流體的内聚力，此時管壁對 流體為親水性質，相反的則表示管壁對流體為疏水性 質。當流體在毛細微管道中流動時若是由一親水管壁欲 往疏水管壁流動時，需要提供一個更大的壓力驅動流 體。換句話說，將管壁表面由親水性改質為疏水性後， 管壁表面改質的部份無形中產生了一個被動式閥件，流 體流至該被動閥件時，會先行被該被動閥件所阻止，而 停止前進，需要外來的壓力驅動該被動閥件，以讓流體 流過該被動閥件。換句話說，本發明係經由改變通道表 面材料特性，使得微流體表面的親疏水性質產生改變， 進而產生流阻的變化，並加上多重陣列的效果，使得流 體在多管微流管道中經由達到單一管道之流體停止再出 發的效杲進而得到多管道中具有穩定的流體流量，使得 流體在複數條微管道中可以只使用一個動力源來達成微 流體之流向切換及使流體在多重微管道中流量均勻的效 果。若將多重微管道中每一微管道視為一個梯子 (ladder)，親疏水的變化視為一個階梯、閘道(gap)。流體 要流動則必須一個接著一個的往上爬，當欲爬上更高一 階時則相對的需要更大的功，因此會傾向先將較低能階 的微管道先行注滿。本發明係將此觀念導入於微流體晶 8 1314992 片的設計中，並加入多重陣列的設計觀念，而設置多重 閘道於各個微流管道中，使得流體在該等微流管道中達 到逐一分流的目的。 本發明提供的步進式多管微流道周流晶片，主要係 使用親水性質之晶片基板，以銑床精密加工製成多管微 流道，並在每一該微流道的部份内壁上施予疏水性塗 料，以在該微流道内壁形成複數個疏水區，這些疏水區 即形同設置於該微流道内的多個被動閥件。本發明並且 將該等疏水區設計呈多重陣列排列於該等微流道内。當 注入流體後，流體在第一道被動閥件閘口前作第一次的 整隊排列，隨著幫浦繼續推動流體前進，流體突破其中 一條障礙後，向前流進，待其碰觸到第二道閘口位置時 停滯，而幫浦會繼續推動流體進入第二條管道，如此依 序注滿，最後再如同上述方式依序突破第三道閘口直至 進入液體排放區。 本發明步進式多管微流道周流晶片藉由以下具體實 施例配合所附圖式，將予以詳細說明如下。 請參閱第一 A圖，係本發明步進式多管微流道周流晶 片平面示意圖。本發明步進式多管微流道周流晶片主要包 含一晶片基板1，該晶片基板1材質係親水性質之聚苯乙 烯，該基板1係具有一微流道區2、一液體收集區3、一入 口端管道10，以及一出口端管道11。該入口端管道10與 該微流道區2間藉由一分流道區24來連通，該分流道區 24包含複數個分流道25，藉以使該入口端管道10可與該 微流道區2之每一親水微流道相連通。 該微流道區2内具有呈陣列排列的複數親水微流道 22，該每一親水微流道22藉由相對應之複數分流道25與 1314992 該入口端管道1 〇相連通，每一該親水微流道22内壁適當 位置具有經施予鐵氟龍(Teflon)之複數個微形疏水區23 ’ 該等微形疏水區23係呈多重陣列排列’即在該等親水微流 道22中形成多道微形疏水區23。該微流道區2相對該入 口端管道10之另一側係與該液體收集區3相連通，ϋ且最 後一道的該等微形疏水區23係靠近該液體收集區3的入口 端。該液體收集區3之出口端係連通至該出口端管道11 ° 該晶片上端可覆蓋一透明上蓋板，例如二曱基矽炫材質之 上蓋板，以利於觀測或注入流體試劑。 請參閱第一Β圖至第一Ε圖，係本發明步進式多管微 流道周流晶片動態導流示意圖，當注入流體至該晶片基板 1之該入口端管道後’該流體會流經該等分流道25至 該微流道區2内之其中一親水微流道22 ’如第一 Β圖所 示，當在該親水微流道22中遇到經施予鐵氟龍(Teflon)之 第一道該微形疏水區23時即會因其疏水性質而停止前 進，接著流體則會流入其他親水微流道22’如第一 C圖所 示，依此，流體會在第一道微形疏水性區23前填滿該親水 性微流道22，如第一 D圖所示，在該第一道微形疏水性區 23皆填滿後，流體所受之阻力相對相等，待幫浦提供能量 下，流體則會突破第一道微形疏水性區23社其中之一該親 水微流道22前進，如第一 E圖所示。如此’可視母一該 微形疏水性區23為一被動閥件，使流體町在每一道該等 被動闕件閘口前作一次次的整隊排列，隨著幫浦繼續推 動流體前進，流體突破其中一道閘口後’向前流進依序 注滿該等親水微流道22 ’最後再如同上述方式依序突破 最後一道該等微形疏水性區23，進入該浪體收集區3， 且該液體收集區3連通至該出口端管道11，可將流體自 1314992 該晶片基板1排出。 本發明之另一較佳具體實施例，如第二圖所示，主 要包含'一晶片基板1 ’該晶片基板1材質係親水性質之聚 苯乙烯，該晶片基板1係具有一微流道區2a、一被動閥件 區2b、一液體收集區3、一入口端管道10,以及一出口端 管道11。該入口端管道10與該微流道區2間藉由一分流 道區24來連接，該分流道區24包含複數個分流道25，藉 以使該入口端管道10可與該微流道區2之每一親水微流道 相連通。 該微流道區2a内具有呈陣列排列的複數條第一親水 微流道22a，而該被動閥件區2b具有呈陣列排列的複數條 第二親水微流道22b。每一該第一親水微流道22a係對應 連通一該第二親水微流道22b，並且該等第二親水微流道 22b的長度較佳係為該等第一親水微流道22a的2至3倍。 該等第一親水微流道2 2 a藉由相對應之複數分流道2 5與該 入口端管道10相連通，每一該第二親水微流道22b内壁適 當位置具有經施予鐵氟龍（Teflon)之複數個微形疏水區 23，該等微形疏水區23係呈多重陣列排列，即在該被動閥 件區2b形成多道微形疏水區23。該被動閥件區2b相對該 入口端管道10之另一側係與該液體收集區3相連通，並且 最後一道的該等微形疏水區23係靠近該液體收集區3的入 口端。該液體收集區3之出口端係連通至該出口端管道 11。該晶片上端可覆蓋一透明材質的上蓋板，例如是二曱 基矽烷材質之上蓋板，以利於觀測或注入流體試劑。 本發明步進式多管微流道周流晶片的設計可以達到 使用單一動力源即可使得晶片上多管微流道可獲得均勻且 穩定的流量的效果。據上述，本發明的步進式多管微流道 11 1314992 周流晶片具有以下特點：（1)不需要額外給予能量，如電 能，即可達到單一微流道内之流體流動狀態為步進式， 即停止再出發的方式；（2)不會使得流體只流經單一特定 低流阻微流道；（3)可促使流體切換流向而不需要任何主 動元件；（4)多重陣列微形疏水區的設計可使得晶片上多 管微流道獲得均勻且穩定的流量。本發明的導流系統裝 置簡單、不需要任何外加元件、製作成本低廉，深具發 展潛力，可應用於任何需要微流體的領域中，例如細胞 培養、細胞對藥物檢測或生化檢測等。 &以上所述僅為本發明之具體實施例而已，並非用以 限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭 示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述 之申請專利範圍内。 ❿ 12 1314992 【圖式簡單說明】 • 第一 A圖係本發明步進式多管微流道周流晶片之一具 體貫施例的平面不意圖。 第一B圖至第一E圖係本發明步進式多管微流道周流 晶片之動態導流不意圖。 第二圖係本發明步進式多管微流道周流晶片另一具體 貫施平面不意圖。 第三圖係流體通過具特殊幾何形狀之流道需克服壓 φ 力之示意圖。 第四圖係習知微管道分流設計與流體充填示意圖。 第五圖係流體於毛細管内的毛細現象示意圖。 主要部份之代表符號： 1 —晶片基板 2 ----微流道區 3-…液體收集區 10----入口端管道 • 11----出口端管道 22 ----親水微流道 22a-…第一親水微流道 22b-…第一親水微流道 23 ----微形疏水區域 24- --分流道區 25- --分流道 13

Claims (1)

1314992 ____ 脚4月众曰修正替換頁 » -丨一一 _' 申請專利範圍·· "" 1·一種步進式多管微流道周流晶片，其包括： 一基板，係具有一微流道區及一液體收集區，該微 流道區具有呈陣列排列的複數親水性微流道，每一該親水 性微流道内壁形成複數個微形疏水區，其中該微形疏水區 係藉塗佈疏水性物質於該親水性微流道内壁而形成，並且 該等親水性微流道内的該等微形疏水區係呈多重陣列排 列’該液體收集區係連通於該等親水性微流道。 φ 2.如申請專利範圍第1項所述之步進式多管微流道周 流晶片’其中每一該親水性微流道内壁的一該微形疏水區 靠近該液體收集區。 3·如申請專利範圍第1項所述之步進式多管微流道周 流晶片’其中該基板更包含一入口端連通於該等親水性微 流道及一出口端連通於該液體收集區。 4. 如申請專利範圍第1項所述之步進式多管微流道周 流晶片’其中該基板更包含一分流道區連通於該入口端與 該等親水性微流道之間，該分流道區係包含複數分流道藉 # 以使流進該入口端的液體分流至該等親水性微流道。 5. 如申請專利範圍第1項所述之步進式多管微流道周 流晶片，其中該基板之材質係親水性之聚苯乙烯。 6. 如申請專利範圍第1項所述之步進式多管微流道周 流晶片，其中該疏水性物質係鐵氟龍。 7. 一種步進式多管微流道周流晶片，其包括： 一基板，係具有一微流道區、一被動閥件區及—液 體收集區，該被動閥件區係連通於該微流道區與該液體收 集區之間，該微流道區具有呈陣列排列的複數第一親水性 微流道’該被動閥件區具有呈陣列排列的複數第二親水性

1314992 微流道，每一該第一親水微流道連通一該第二親水微流 道’並且每一該第二親水微流道内壁形成複數個微形疏水 區以供做被動閥件，其中該微形疏水區係藉塗佈疏水性物 質於该第二親水微流道内壁而形成，並使得該等第二親水 微流道内的該等微形疏水區呈多重陣列排列，每一該第二 親水微流道係連通於該液體收集區。 8.如申請專利範圍第7項所述之步進式多管微流道周

流晶片，其中每一該第二親水微流道的一該微形疏水區靠 近該液體收集區。 9. 如申請專利範圍第7項所述之步進式多管微流道周 流晶片’其中該疏水性物質係鐵氟龍。 10. 如申請專利範圍第7項所述之步進式多管微流道 周流晶片，其中該等第二親水微流道的長度係該等第一 水微流道長度的2至3倍。 , 11. 如申請專利範圍第7項所述之步進式多管微流道 周流晶片，其中該基板更包含一入口端連通於該微流道區 及一出口端連通於該液體收集區。 12. 如申請專利範圍第11項所述之步進式多管微流道 周抓:曰片，其中該基板更包含一分流道區連通於該入口端 與該微㈣道區之間，該分流道區係包含複數分流道藉以使 流進該入口端的液體分流至該等第一親 =中請專利範圍第7項所述之步管微流道 周&曰曰片’其中該基板之材質係親水稀。