TWI390201B - Fluid manipulation gene array analysis wafers - Google Patents

Description

流體操作基因陣列分析晶片

本發明是有關於一種流體操作晶片，特別是指一種流體操作基因陣列分析晶片。

於傳統基因檢測分析流程中，生物臨床檢體之前處理與濃縮萃取之程序為十分重要的操作步驟。於傳統醫學應用檢測中，基礎性的實驗技術，諸如臨床檢體前處理、去氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid, DNA)以及核糖核酸(ribonucleic acid, RNA)之萃取與純化尤其不易，往往浪費許多的時間，且其繁複的人工操作與步驟更容易增加檢體之損耗與檢測之準確性。近年來，由於流體操作晶片具有體積小、可拋棄式、可攜帶性、低樣品及檢體消耗量、低耗能、高檢測效能，及成本低等優點，與基因陣列晶片裝置搭配，可有效應用於自動化基因檢測方面用途。本發明所提出之流體操作基因陣列分析晶片可有效將傳統人工操作所需之臨床檢體前處理，待測生物分子萃取純化及生物探針標定、及待測生物分子與基因陣列晶片表面之寡核苷酸片段之雜合反應等流程有效整合於一晶片平台之上，有效縮短反應時間、降低專業人力需求及人為因素所產生之誤差，並可建立一標準操作流程，提高靈敏度及準確度，深具發展潛力以及市場價值。

因此，本發明之目的，即在提供一種可應用於自動化 基因檢測用途之流體操作基因陣列分析晶片。

於是，本發明流體操作基因陣列分析晶片，包含一封閉層、分別疊接固定於封閉層頂面之一槽道層與一基因陣列層，及一疊接於槽道層頂面之覆蓋層。該基因陣列層具有多數分別接合有特定基因探針，且可分別與特定生物分子反應而產生不同呈色表現之基因檢測點，且該等基因檢測點是呈陣列排列狀。該封閉層與槽道層相配合界定出一可供具有特定生物分子之檢體進行前處理的中空前處理槽、一涵蓋該等基因檢測點並可供來自前處理槽之檢體中的特定生物分子與該等基因檢測點進行雜合呈色反應之檢測槽、多數分別連通於前處理槽與檢測槽並可供注入反應試劑或檢體之輸入孔、至少一與前處理槽連通並可被真空吸引而於前處理槽中產生吸引液體流動之負壓吸力的第一吸引孔，及一與檢測槽連通並可被真空吸引而於檢測槽中產生吸引液體流動之負壓吸力的第二吸引孔。該覆蓋層是蓋封前處理槽與檢測槽疊置蓋設於槽道層上，並具有一可供擷取該等基因檢測點之影像的透明視窗區，及多數分別與該等輸入孔、第一吸引孔與第二吸引孔連通之貫孔。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

如圖1~3所示，本發明流體操作基因陣列分析晶片之較佳實施例，適用於設置在一自動化檢測系統9中，而可 搭配微磁珠(圖未示)對檢體中之特定待測生物分子進行萃取純化等前處理，並將純化所得之待測生物分子進行反轉錄/增殖反應處理，同時並進行待測生物分子與生物探針之標定接合反應，且該流體操作基因陣列分析晶片1可直接與標定接合生物探針後之生物分子進行雜合呈色反應，而可對檢體中之特定生物分子的基因片段進行定性及定量檢測。

該自動化檢測系統9包括一可與流體操作基因陣列分析晶片1連通並可控制檢體與反應試劑之進出的流體控制單元(圖未示)、一可吸引定位微磁珠之磁力控制單元94(示於圖4)、一可控制流體操作基因陣列分析晶片1內之流體溫度的溫度控制單元93(示於圖4)、一可擷取處理流體操作基因陣列分析晶片1分析檢測後之呈色結果的影像擷取單元95(示於圖7)，及一可程式化控制前述各單元之作動之中控單元(圖未示)。

該流體操作基因陣列分析晶片1包含上下疊接之一槽道層3與封閉層2、一疊接固定於封閉層2頂面之基因陣列層5，及一疊置蓋設於槽道層3頂面之覆蓋層4。

該封閉層2與槽道層3相配合界定出一可供檢體進行前處理之前處理槽71、一可供進行雜合呈色反應之圓形檢測槽72、一連通前處理槽71與檢測槽72之流體管道73、多數分別連通於前處理槽71與檢測槽72並可供注入檢體或反應試劑之輸入孔74、二分別連通於前處理槽71之第一吸引孔76，及一連通於檢測槽72之第二吸引孔77。

該前處理槽71具有分別貫穿槽道層3之一圓形第一處理段711與一圓形第三處理段713、一凹設於槽道層3底面之矩形第二處理段712、一凹設於槽道層3底面且連通於第一處理段711與第二處理段712間之條狀第一連通段714，及一凹設於槽道層3底面且連通於第二處理段712與第三處理段713間之條狀第二連通段715。該等連通段714、715之容積小於該等處理段711~713容積，且第一連通段714與第二連通段715之內壁面皆為疏水性內壁面，可阻止流體於第一處理段711與第二處理段712間，及在第二處理段712與第三處理段713間自然流動，該第三處理段713是與該流體管道73連通，且該流體管道73內壁面為疏水性內壁面。

該等輸入孔74分別貫穿成型於槽道層3上，且分別具有一凹設於槽道層3底面之導流段741，該等導流段741是分別連通於第一與第三處理段711、713及檢測槽72，且分別和該等處理段711、713與檢測槽72槽緣夾一預定切角，而可分別使注入該等處理段711、713與檢測槽72中之檢體或反應試劑產生渦流混合效應，有助於該前處理槽71及檢測槽72中迅速混合多種檢體或反應試劑。

該等第一與第二吸引孔76、77是分別貫穿成型於槽道層3上，該等第一吸引孔76是分別連通於第二處理段712與第三處理段713，而第二吸引孔77是連通於檢測槽72，且該等吸引孔76、77可分別被流體控制單元施加真空吸引作用，而分別於第二處理段712、第三處理段713與檢測槽 72中產生吸引液體流動之負壓吸力，且可藉由該負壓吸力，分別可完成將第一處理段711與第二處理段712間，第二處理段712與第三處理段713間，及第三處理段713與檢測槽72間之液體傳送功能，亦可將第二處理段712、第三處理段713與檢測槽72中之流體吸引排出。

該覆蓋層4是蓋封該前處理槽71與檢測槽72疊置蓋設於槽道層3頂面，並具有多數分別與該等輸入孔74與吸引孔76、77連通之貫孔40，且具有一位於檢測槽72上方，並可供觀視擷取基因陣列層5影像之透明視窗區41。

該基因陣列層5包括一貼覆固定於封閉層2頂面且位於該檢測槽72中之基板51，及多數被覆於基板51頂面且分別接合有可與特定生物分子反應而產生不同呈色表現之基因探針的基因檢測點52，且該等基因檢測點52是呈陣列狀排列。但實施時，該等基因檢測點52亦可直接被覆於封閉層2頂面，且不以此為限。

當要以該流體操作基因陣列分析晶片1進行基因分析檢測時，可先將流體操作基因陣列分析晶片1設置於檢測系統9之一輸送座91(僅示於圖1)上，並使流體控制單元之多數輸送管921分別連通插置於覆蓋層4之該等貫孔40中，而分別與該等輸入孔74、第一吸引孔76與第二吸引孔77連通，然後藉由該輸送座91將流體操作基因陣列分析晶片1輸送入機殼90中。在本實施例中是以檢測分析血液中之微量循環癌細胞中所包含之mRNA為例進行說明，但實施時不以此為限。

如圖2~4所示，開始檢測分析時，驅使流體驅動單元經由連通於前處理槽71之第一處理段711的預定輸入孔74，將血液檢體及細胞裂解處理液注入第一處理段711中，藉由導流段741與第一處理段711之預定切角所產生之渦流混合效應，並透過溫度控制單元93控制第一處理段711中之溫度，促使血液檢體中所包含之循環癌細胞裂解釋出待測生物分子mRNA。接著，再經由連通於第一處理段711之該等輸入孔74分別將微磁珠、接合緩衝液(binding buffer)與沖洗緩衝液(washing buffer)注入，驅使微磁珠、接合緩衝液與沖洗緩衝液帶動第一處理段711中之檢體形成渦流混合效應，使待測之mRNA鍵結吸附於微磁珠表面。此時，由於第一連通段714內壁面為疏水性，所以第一處理段711中之液體無法自然流至第二處理段712。

如圖2、3、5所示，經由連通於第二處理段712之第一吸引孔76進行真空吸引作用，並透過流體控制單元驅使連通於第一處理段711之其中一輸入孔74打開而與外界連通，便可透過第一與第二處理段711、712間之負壓吸力作用，迫使第一處理段711中之液體經由疏水性第一連通段714進入第二處理段712中。於此同時，驅使磁力控制單元94於第二處理段712產生往下吸引微磁珠之磁力，將進入第二處理段712之流體中的微磁珠吸附固定於封閉層2頂面，僅使剩餘液體經由第一吸引孔76排出第二處理段712，進而達到萃取純化mRNA之目的。

緊接著，經由連通於第二處理段712之流體輸入孔74 將沖提緩衝液(elution buffer)注入第二處理段712中，將收集於微磁珠表面之mRNA釋放至液體中。此時，經由連通於第三處理段713之第一吸引孔76進行真空吸引作用，並透過流體控制單元驅使連通於第二處理段712之其中一輸入孔74打開而與外界連通，便可透過第二與第三處理段712、713間之負壓吸力作用，迫使第二處理段712中含有待測mRNA生物分子之流體通過疏水性第二連通段715，而輸送至第三處理段713中。

然後，透過預定之輸入孔74將進行反轉錄與增殖反應所需之反應試劑輸送入第三處理段713中，並透過溫度控制單元93調控第三處理段713中之液體溫度變化，藉以將mRNA反轉錄成cDNA。接著，再將用以標定cDNA之呈色型生物探針DIG(digoxigenin)與所需之反應試劑輸送入第三處理段713中，促使cDNA與DIG結合，而完成待測cDNA之生物探針標定。

如圖3、6所示，緊接著，經由連通於檢測槽72之第二吸引孔77進行真空吸引作用，並透過流體控制單元驅使連通於第三處理段713之其中一輸入孔74打開而與外界連通，便可透過檢測槽72與第三處理段713間之負壓吸力作用，迫使第三處理段713中含有已完成生物分子標定之cDNA待測生物分子流體通過疏水性流體管道73，而輸送至檢測槽72中。

此時，可再經由預定該等輸入孔74將雜合反應(Hybridization)所需之反應試劑注入檢測槽72，驅使注入之 反應試劑帶動檢測槽72中之液體產生渦流混合效應，加速已標定呈色型生物探針之cDNA待測分子，與位於檢測槽72中且已接合特定基因探針之基因檢測點52進行雜合呈色反應，此時，雜合反應中所使用之反應廢棄流體可經由第二吸引孔77導引至位於檢測系統9中之一廢棄流體儲液桶(圖未示)進行清除。

完成雜合反應後，便可以影像擷取單元95透過覆蓋層4之透明視窗區41擷取基因陣列層5之該等基因檢測點52之呈色影像，並進行分析判別，即完成血液檢體中癌細胞mRNA之檢測。

在本實施例中該等處理段711~713與檢測槽72間之流體輸送，主要是透過該等吸引孔76、77之負壓吸引作用，來迫使流體越過該等疏水性連通段714、715及流體管道73，但實施時，亦可透過連通於該等處理段711~713與檢測槽72間之流體控制單元的外部管道進行流體輸送，且不以此為限。

歸納上述，透過該流體操作基因陣列分析晶片1具有基因陣列層5的結構設計，及封閉層2與槽道層3疊接構成之前處理槽71、檢測槽72、流體管道73、輸入孔74、與該等吸引孔76、77等微結構設計，使該流體操作基因陣列分析晶片1可應用於對檢體中之特定生物分子進行萃取純化，並將純化所得之特定生物分子進行轉錄/增殖反應，且可於對轉錄後之生物分子進行生物探針標定後，直接以基因陣列層5之該等基因檢測點52與已標定生物探針之生 物分子進行雜合呈色反應，來對待測之生物分子進行定性或定量檢測，且因整個反應過程都是在流體管道中進行，因此可縮減檢體與試劑之使用量，並易於達成全程自動化檢測操作之目的，減少傳統人為操作實驗所可能產生之誤差，有效建立標準操作流程。另外，透過該等輸入孔74斜向連通於前處理槽71與檢測槽72的結構設計，可促使注入前處理槽71與檢測槽72中之液體產生渦流混合效應，可有效加速各種反應之進行，而有助於縮短檢測時間。因此，確實可達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧流體操作基因陣列分析晶片

2‧‧‧封閉層

3‧‧‧槽道層

4‧‧‧覆蓋層

40‧‧‧貫孔

41‧‧‧視窗區

5‧‧‧基因陣列層

51‧‧‧基板

52‧‧‧基因檢測點

71‧‧‧前處理槽

711‧‧‧第一處理段

712‧‧‧第二處理段

713‧‧‧第三處理段

714‧‧‧第一連通段

715‧‧‧第二連通段

72‧‧‧檢測槽

73‧‧‧流體管道

74‧‧‧輸入孔

741‧‧‧導流段

76‧‧‧第一吸引孔

77‧‧‧第二吸引孔

9‧‧‧檢測系統

90‧‧‧機殼

91‧‧‧輸送座

921‧‧‧輸送管

93‧‧‧溫度控制單元

94‧‧‧磁力控制單元

95‧‧‧影像擷取單元

圖1是本發明流體操作基因陣列分析晶片之一較佳實施例搭配一檢測系統使用之立體示意圖；圖2是該較佳實施例之立體分解圖；圖3是該較佳實施例之組合俯視示意圖，說明槽道間之相對結構位置；圖4是圖3沿線Ⅳ－Ⅳ之剖視圖；圖5是圖3沿線V－V之局部剖視圖；及圖6是圖3沿線Ⅵ－Ⅵ之局部剖視圖。

1‧‧‧流體操作基因陣列分析晶片

2‧‧‧封閉層

3‧‧‧槽道層

4‧‧‧覆蓋層

40‧‧‧貫孔

41‧‧‧視窗區

5‧‧‧基因陣列層

51‧‧‧基板

52‧‧‧基因檢測點

71‧‧‧前處理槽

711‧‧‧第一處理段

712‧‧‧第二處理段

713‧‧‧第三處理段

714‧‧‧第一連通段

715‧‧‧第二連通段

72‧‧‧檢測槽

73‧‧‧流體管道

74‧‧‧輸入孔

741‧‧‧導流段

76‧‧‧第一吸引孔

77‧‧‧第二吸引孔

921‧‧‧輸送管

Claims (9)

1. 一種流體操作基因陣列分析晶片，包含：一封閉層、分別疊接固定於封閉層頂面之一槽道層與一基因陣列層，及一疊接於槽道層頂面之覆蓋層，該基因陣列層具有多數分別接合有特定基因探針，且可分別與特定生物分子反應而產生不同呈色表現之基因檢測點，且該等基因檢測點是呈陣列排列狀，該封閉層與槽道層相配合界定出一可供具有特定生物分子之檢體進行前處理的中空前處理槽、一涵蓋該等基因檢測點並可供來自前處理槽之檢體中的特定生物分子與該等基因檢測點進行雜合呈色反應之檢測槽、多數分別連通於前處理槽與檢測槽並可供注入反應試劑或檢體之輸入孔、至少一與前處理槽連通並可被真空吸引而於前處理槽中產生吸引液體流動之負壓吸力的第一吸引孔，及一與檢測槽連通並可被真空吸引而於檢測槽中產生吸引液體流動之負壓吸力的第二吸引孔，該覆蓋層是蓋封前處理槽與檢測槽並疊置蓋設於槽道層上，並具有一可供擷取該等基因檢測點之影像的透明視窗區，及多數分別與該等輸入孔、第一吸引孔與第二吸引孔連通之貫孔。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之流體操作基因陣列分析晶片，其中，該等基因檢測點是分別被覆固定於封閉層頂面。
3. 依據申請專利範圍第1項所述之流體操作基因陣列分析晶片，其中，該基因陣列層還包括一疊接固定於封閉層 頂面且位於檢測槽中之基板，該等基因檢測點是分別被覆固定於該基板頂面。
4. 依據申請專利範圍第1、2或3項所述之流體操作基因陣列分析晶片，其中，該等連通於前處理槽之輸入孔是分別穿設於槽道層頂、底面間，分別具有一凹設於槽道層底面並分別和前處理槽連通的導流段，且該等導流段是可使注入前處理槽中之前處理液帶動檢測流體產生渦流混合效應地分別斜向連通於前處理槽。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之流體操作基因陣列分析晶片，其中，槽道層與封閉層還相配合界定出一凹設於槽道層底面且連通前處理槽與檢測槽之流體管道。
6. 依據申請專利範圍第5項所述之流體操作基因陣列分析晶片，其中，該前處理槽具有一第一處理段、一第二處理段、一第三處理段、一連通第一處理段與第二處理段之第一連通段，及一連通第二處理段與第三處理段之第二連通段，且該等連通段之容積小於該等處理段，該流體管道是連通於第三處理段與檢測槽間，該等輸入孔之導流段是分別連通於該等處理段，該槽道層與封閉層相配合界定二分別連通於第二與第三處理段，並可被真空吸引而分別於第二與第三處理段中產生吸引液體流動之負壓吸力的第一吸引孔。
7. 依據申請專利範圍第6項所述之流體操作基因陣列分析晶片，其中，第一連通段內壁面為可阻止液體自然流動通過之疏水性內壁面。
8. 依據申請專利範圍第7項所述之流體操作基因陣列分析晶片，其中，第二連通段內壁面為可阻止液體自然流動通過之疏水性內壁面。
9. 依據申請專利範圍第6項所述之流體操作基因陣列分析晶片，其中，流體管道內壁面為可阻止液體自然流動通過之疏水性內壁面。