TWI383138B - 具微結構之微流體裝置及使用其之感測系統及其方法 - Google Patents

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Description

具微結構之微流體裝置及使用其之感測系統及其方法
本發明是有關於一種微流體裝置，特別是有關於一種在管道中設置微結構之微流體裝置，以及使用此微流體裝置之感測系統及其方法。
目前，大多數生物晶片的用途在於進行生化分析(biochemical analysis)反應或反應之一部份。相對於傳統分析方法，生物晶片常有操作簡便，所需樣本量少，同時進行多組反應，可大量生產，以及反應速度快等優點。其中，微流體裝置是實現上述生物晶片之其中一種形式。微流體裝置在基材(substrate)上製造管道(channel)、反應腔(reaction chamber)、混和器(mixer)及閥(valve)來控制不同流體於晶片中之流動方向、反應時間、混合比例等等而達到控制反應進行的目的。然而，當溶質分子量較大的溶液輸入微流體裝置時，往往有傳輸過慢導致需要較長的感測訊號讀取時間。因此，如何加速溶液在管道中的傳輸速度是一項重要的工作。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之一目的就是在提供一種具微結構之微流體裝置及使用其之感測系統及其方法，以加速溶液在微流體裝置的管道中的傳輸。
此外，本發明之另一目的就是在提供一種具微結構之微流體裝置及使用其之感測系統及其方法，以提升受測物 與固定在貴金屬奈米粒子層上官能基的鍵結動力學。
此外，本發明之另一目的就是在提供一種具微結構之微流體裝置及使用其之感測系統及其方法，以縮短感測訊號所需讀出的時間。
根據本發明之目的，提出一種具微結構之微流體裝置，其包含一基座、一光纖或平面波導元件及兩電極。基座具有一管道以容納一溶液，且此管道包含一感測部，且此感測部具有至少一微結構。光纖或平面波導元件係設置於感測部且其表面具有一貴金屬奈米粒子層。兩電極係分別電性連接感測部之兩端。
其中，此微結構係以紫外光光刻術(ultraviolet-lithography galvanoformung abformung,UV-LIGA)、印刷或燒蝕的程序來製作。
其中，微結構的高度係介於10微米與100微米之間。
其中，此貴金屬奈米粒子層係包含金之奈米粒子、銀之奈米粒子或官能化之貴金屬奈米粒子。
其中，此兩電極係接收一交流電訊號，致使溶液在微結構之邊角產生較劇烈之渦流。
根據本發明之目的，再提出一種感測系統，其包含一微流體裝置、一訊號產生器、一發光裝置、一溶液輸入裝置及一光偵測裝置。微流體裝置包含一基座、一光纖或平面波導元件及兩電極，基座具有一包含感測部之管道且此感測部具有至少一微結構，而光纖或平面波導元件 設置於感測部且其表面具有一貴金屬奈米粒子層，而兩電極分別電性連接感測部之兩端。訊號產生器係產生一交流電訊號輸入至兩電極。發光裝置係產生一入射光耦合進光纖或平面波導元件。溶液輸入裝置係輸入一包含待測物之溶液至此管道。而光偵測裝置用以檢測光纖元件之一出射光。
其中，此光偵測裝置係從此出射光量測出一光纖定域化電漿共振(fiber-optic localized plasmon resonance,FO-LPR)訊號的變化。而光纖可用平面波導取代，而偵測訊號可來自各種使用漸逝波的感測方式。
根據本發明之目的，再提出一種感測方法。此感測方法適用於一微流體裝置，其包含一具有感測部之管道、一設置於感測部之光纖元件以及電性連接感測部兩端之兩電極。此感測方法包含下列步驟。首先，在感測部形成至少一微結構，並製備一貴金屬奈米粒子層以包覆在光纖或平面波導元件表面。接著，輸入一包含待測物之溶液至微流體裝置之管道，並產生一入射光耦合進光纖或平面波導元件，再從兩電極輸入一交流電訊號。最後，檢測光纖或平面波導元件之一出射光。而光纖可用平面波導取代，而偵測訊號可來自各種使用漸逝波的感測方式。
其中，檢測此出射光以取得一光纖定域化電漿共振(fiber-optic localized plasmon resonance,FO-LPR)訊號的變化。
請參閱第1圖，其係為本發明之具微結構之微流體裝置之實施例分解圖。圖中，微流體裝置1包含一基座、一光纖元件12及兩電極13、14、一溶液輸入管15及一溶液輸出管16。基座具有一管道以容納一溶液，在此實施例中，基座包含一上基體111及一下基體112，上基體具有一條狀凹槽113，而上基體111及下基體112結合時條狀凹槽113係形成上述管道。且微流體裝置之管道微此領域技術者所熟知，故在此不再贅述。其中，上基體111及下基體112較佳的是以塑膠材料所製成。
條狀凹槽113之一部分係定義為感測部114，且下基體112對應感測部114之位置具有至少一微結構115，因此上基體111及下基體112結合時感測部114內具有微結構115。其中，微結構115係為浮凸結構，浮凸結構其單一結構長度或寬度介於0.1至1毫米，可為一浮雕狀結構(Relief-like structure)或一楔型微結構，其高度係介於10微米與100微米之間。微結構115較佳的是以紫外光光刻術(ultraviolet-lithography galvanoformung abformung,UV-LIGA)、印刷或燒蝕的程序形成於下基體112上。
光纖元件12設置於感測部114且其表面具有一貴金屬奈米粒子層。在此實施例中，光纖元件12係為一光纖121除去表面之一保護層及部分之一覆蓋層，僅保留纖核122及部分覆蓋層123，在光纖元件表面包覆一貴金屬奈米粒子層124，如第2圖所示。貴金屬奈米粒子層較佳的是包含金 之奈米粒子、銀之奈米粒子或官能化之貴金屬奈米粒子，例如含有維生素(biotin)官能基的金奈米粒子。此外，光纖元件12視需要可以平面波導元件取代。
電極13及電極14係分別電性連接感測部114之兩端，用傳送電性訊號(例如交流電訊號)至感測部114。在此實施例中，電極13及電極14亦可沿著光纖121從光纖元件12的下方插入以靠近感測部114。此外，感測部114兩端亦可鑽兩個小孔以供電極13及電極14插入。而在此實施例中，溶液輸入管15及溶液輸出管16係穿過上基體111，用以輸入溶液至感測部114，以及從感測部114抽出溶液。
請參閱第3圖，其係為本發明之感測系統之實施例之示意圖。圖中，感測系統2包含一微流體裝置21、一訊號產生器22、一發光裝置23、一溶液輸入裝置24及一光偵測裝置25。微流體裝置21包含一基座211、一光纖元件212及兩電極213、214，基座211具有一包含感測部216之管道215且此感測部216具有至少一微結構217，而光纖元件212設置於感測部216且其表面具有一貴金屬奈米粒子層，而兩電極213、214分別電性連接感測部216之兩端。請注意，微流體裝置21之結構與第1圖所示之結構相似，故在此不再贅述，僅以方塊圖表示。
發光裝置23係產生一入射光231耦合進光纖元件212。其中，入射光231較佳為一單頻光、一窄頻光或一白光。溶液輸入裝置24係輸入一包含待測物之溶液241至此管道215。訊號產生器22係產生一交流電訊號221輸入至兩電極213、214。而光偵測裝置25用以檢測光纖元件212之 一出射光251，用以從出射光251量測出一光纖定域電漿共振(fiber-optic localized plasmon resonance,FO-LPR)訊號的變化。
請續參閱第4圖，其係繪示在微結構附近的電場變化示意圖。圖中係以楔型結構作為微結構之實施例說明，當電性訊號輸入至感測部216，如圖中左側為高電位而右側為低電位，使感測部216內產生外部電場，待楔型結構的表面被電場極化後，與電解質溶液相反的離子401、402會游移至楔型結構的表面並形成場誘導電雙層(field-induced electrical double layer)。當外部施加的電場驅動電雙層上的吸附電荷時，電滲流便由此產生。而使用高頻交流電場迅速地變換電場極性，好讓誘導電荷不至於被中和而維持住電雙層。因此，在楔型結構兩側邊角因法線電場41較大而使溶液241產生較劇烈的循環渦流，可以加速溶液在感測部216的傳輸，並提升受測物與固定在金屬奈米粒子層中的官能化之貴金屬奈米粒子的鍵結動力學，致使FO-LPR訊號因此更快地達到穩定而縮短感測訊號所需讀出的時間。
請續參閱第5圖及第6圖，其係分別繪示使用無微結構及有微結構的微流體裝置進行量測之時序訊號圖。圖中的曲線為卵白素(streptavidin)在0.01M背景電解溶液(NaCl)中與在光纖剝除部分修飾上含有維生素(biotin)官能基的金奈米粒子鍵結的時序訊號。可觀察出第6圖的曲線較為平坦，其係因為交流電誘導電滲而加速鍵結動力學，因此當外加電場關閉的同時訊號也達平衡；相反 地，當微流體裝置無微結構時，誘導電滲現象即會被抑制，因此第5圖所繪示的感測訊號需在關閉外加電場達200秒以上方才達到平衡。由此可說明利用交流電誘導電滲可以藉由加速生物分子鍵結動力學而縮短訊號讀出時間。
請參閱第7圖，其繪示本發明之感測方法之實施例之步驟流程圖。圖中，此感測方法係適用於一微流體裝置，其包含一具有感測部之管道、一設置於感測部之光纖元件以及電性連接感測部兩端之兩電極。此感測方法包含下列步驟。在步驟61在感測部形成至少一微結構。例如以紫外光光刻術(ultraviolet-lithography galvanoformung abformung,UV-LIGA)、印刷或燒蝕的程序在感測部形成一浮雕狀結構(Relief-like structure)或一楔型微結構。
在步驟62製備一貴金屬奈米粒子層包覆在光纖元件表面。接著在步驟63輸入一包含待測物之溶液至管道，並在步驟64產生一入射光耦合進該光纖元件或該平面波導元件。在步驟65從兩電極輸入一交流電訊號，最後在步驟66檢測光纖或平面波導元件之一出射光。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1、21‧‧‧微流體裝置
111‧‧‧上基體
112‧‧‧下基體
113‧‧‧條狀凹槽
114、216‧‧‧感測部
115、217‧‧‧微結構
12、212‧‧‧光纖元件
121‧‧‧光纖
122‧‧‧纖核
123‧‧‧覆蓋層
124‧‧‧貴金屬奈米粒子層
13、14、213、214‧‧‧電極
15‧‧‧溶液輸入管
16‧‧‧溶液輸出管
2‧‧‧感測系統
211‧‧‧基座
215‧‧‧管道
22‧‧‧訊號產生器
221‧‧‧交流電訊號
23‧‧‧發光裝置
231‧‧‧入射光
24‧‧‧溶液輸入裝置
241‧‧‧溶液
25‧‧‧光偵測裝置
251‧‧‧出射光
401、402‧‧‧離子
41‧‧‧電場
61~66‧‧‧步驟流程
第1圖係為本發明之具微結構之微流體裝置之實施例分解圖； 第2圖係為本發明之具微結構之微流體裝置之實施例分解圖；第3圖係為本發明之感測系統之實施例之示意圖；第4圖係為本發明之繪示在微結構附近的電場變化示意圖；第5圖係為本發明之分別繪示使用無微結構的微流體裝置進行量測之時序訊號圖；第6圖係為本發明之分別繪示使用有微結構的微流體裝置進行量測之時序訊號圖；以及第7圖係為本發明之其繪示感測方法之實施例之步驟流程圖。
1‧‧‧微流體裝置
111‧‧‧上基體
112‧‧‧下基體
113‧‧‧條狀凹槽
114‧‧‧感測部
115‧‧‧微結構
12‧‧‧光纖元件
121‧‧‧光纖
13、14‧‧‧電極
15‧‧‧溶液輸入管
16‧‧‧溶液輸出管

Claims (29)

  1. 一種具微結構之微流體裝置，包含：一基座，係具有一管道以容納一溶液，且該管道包含一感測部，且該感測部具有立體狀之至少一微結構；一光纖或平面波導元件，係設置於該感測部，該光纖或平面波導元件之表面具有一貴金屬奈米粒子層；以及兩電極，係分別電性連接該感測部之兩端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微流體裝置，其中該光纖元件係為一光纖除去表面之一保護層及部分之一覆蓋層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微流體裝置，其中該基座係包含一上基體及一下基體，該上基體或該下基體之其一具有一條狀凹槽，使得該上基體及該下基體結合時該條狀凹槽係形成該管道。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之微流體裝置，其中該微結構係為一浮凸結構，且單一結構之長度或寬度介於0.1至1.0毫米之間。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之微流體裝置，其中該浮凸結構係為一浮雕狀結構(relief-like structure)或一楔型微結構。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之微流體裝置，其中該微結構係以紫外光光刻術(ultraviolet-lithography galvanoformung abformung,UV-LIGA)、印刷或燒蝕的程序來製作。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之微流體裝置，其中該微結構的高度係介於10微米與100微米之間。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之微流體裝置，其中該貴金屬奈米粒子層係包含金之奈米粒子、銀之奈米粒子或官能化之貴金屬奈米粒子。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之微流體裝置，其中該兩電極係接收一交流電訊號，致使該溶液在該微結構之邊角產生渦流。
  10. 一種感測系統，包含：一微流體裝置，包含一基座、一感測元件及兩電極，該基座具有一包含一感測部之管道且該感測部具有立體狀之至少一微結構，而該感測元件設置於該感測部，且該感測元件之表面具有一貴金屬奈米粒子層，而該兩電極分別電性連接該感測部之兩端；一訊號產生器，係產生一交流電訊號輸入至該兩電極；一發光裝置，係產生一入射光耦合進該感測元件；一溶液輸入裝置，係輸入一包含待測物之溶液至該管道；以及一光偵測裝置，係檢測該感測元件之一出射光。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之感測系統，其中該感測元件係為一光纖元件或一平面波導元件。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之感測系統，其中該光纖元件係為一光纖除去表面之一保護層及部分之一覆蓋層。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之感測系統，其中該微結構係為一浮凸結構，且單一結構之長度或寬度介於0.1至1.0毫米之間。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之感測系統，其中該浮凸結構係為一浮雕狀結構(relief-like structure)或一楔型 微結構。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之感測系統，其中該微結構係以紫外光光刻術(ultraviolet-lithography galvanoformung abformung,UV-LIGA)、印刷或燒蝕的程序來製作。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之感測系統，其中該微結構的高度係介於10微米與100微米之間。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之感測系統，其中該貴金屬奈米粒子層係包含金之奈米粒子、銀之奈米粒子或官能化之貴金屬奈米粒子。
  18. 如申請專利範圍第10項所述之感測系統，其中該溶液在該微結構之邊角產生渦流。
  19. 如申請專利範圍第10項所述之感測系統，其中該光偵測裝置係從該出射光量測出該感測元件定域電漿共振訊號的變化，而偵測信號係來自於漸逝波的感測。
  20. 一種感測方法，適用於一微流體裝置，該微流體裝置包含一具有一感測部之管道、一設置於該感測部之感測元件以及電性連接該感測部兩端之兩電極，該感測方法包含下列步驟：在該感測部形成立體狀之至少一微結構；製備一貴金屬奈米粒子層，該貴金屬奈米粒子層係包覆在該感測元件表面；輸入一包含待測物之溶液至該管道；產生一入射光耦合進該感測元件；從該兩電極輸入一交流電訊號；以及檢測該感測元件之一出射光。
  21. 如申請專利範圍第20項所述之感測方法，其中其中該感測元件係為一光纖元件或一平面波導元件。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之感測方法，其中該光纖元件係為一光纖除去表面之一保護層及部分之一覆蓋層。
  23. 如申請專利範圍第20項所述之感測方法，其中該微結構係為一浮凸結構，且單一結構之長度或寬度介於0.1至1.0毫米之間。
  24. 如申請專利範圍第24項所述之感測方法，其中該浮凸結構係為一浮雕狀結構(relief-like structure)或一楔型微結構。
  25. 如申請專利範圍第20項所述之感測方法，其中該微結構係以紫外光光刻術(ultraviolet-lithography galvanoformung abformung,UV-LIGA)、印刷或燒蝕的程序來製作。
  26. 如申請專利範圍第20項所述之感測方法，其中該微結構的高度係介於10微米與100微米之間。
  27. 如申請專利範圍第20項所述之感測方法，其中該貴金屬奈米粒子層係包含金之奈米粒子、銀之奈米粒子或官能化之貴金屬奈米粒子。
  28. 如申請專利範圍第20項所述之感測方法，其中該交流電訊號致使該溶液在該微結構之邊角產生渦流。
  29. 如申請專利範圍第20項所述之感測方法，其中檢測該出射光之步驟係用以取得該感測元件定域電漿共振訊號的變化，而偵測信號係來自於漸逝波的感測。
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