TWI416092B - 光訊號的偵測方法、具有發光化合物之微流體混合晶片及其系統 - Google Patents

光訊號的偵測方法、具有發光化合物之微流體混合晶片及其系統 Download PDF

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Description

光訊號的偵測方法、具有發光化合物之微流體混合晶片及其系統
本發明是有關於一種光訊號的偵測方法、微流體混合晶片及其系統，特別是有關於一種利用偵測化學發光或生物發光之光訊號的偵測方法，以及具有發光化合物之微流體混合晶片及其系統。
從90年代開始，當許多分析技術已經發展成熟後，系統微小化成為科學家努力的對象；同時藉由微機電製程技術興起，使得微型化實驗平台製作難度降低，可將結合進樣、反應、分離與分析的多工化實驗平台放置在同一個微晶片上，即為微流體晶片。
微流體系統因於系統微小化後提供了許多優點，例如：樣品需求量減少、分析時間縮短、高靈敏度、製作與操作成本降低…等，此外因系統微小化後易於攜帶，也使得就地操作不再是那麼的困難。
雖然微流體系統目前已被廣泛地運用在眾多領域中，並且展現了良好的成效，但是仍有裝置上的問題有待克服，其中之一即為不同試劑間混合緩慢的困擾，對於某些在分析過程中需要將低擴散係數之試劑進行快速混合的反應，例如：去氧核糖核酸雜交反應（DNA hybridization），若此類反應所需的混合時間等於或者大於反應所需時間，那麼快速均勻的混合過程便顯得相當重要。
有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種光訊號的偵測方法、具有發光化合物之微流體混合晶片及其系統，可在短時間內連續性偵測化學發光或生物發光之光訊號。
根據本發明之目的，提出一種具有發光化合物之微流體混合晶片。此微流體混合晶片包含第一側槽、第二側槽及混合槽。混合槽設置於第一側槽和第二側槽間，並透過微流道相互連接，混合槽具有發光化合物和氧化還原劑。其中，將一對電極分別設置於第一側槽和第二側槽，以提供高頻交流電場之電源，利用高頻交流電場之電源以將發光化合物、氧化還原劑和樣品於混合槽進行混合，產生化學發光或生物發光之光訊號。
根據本發明之目的，提出一種光訊號的偵測方法，適用於微流體混合晶片，此微流體混合晶片包含第一側槽、第二側槽和混合槽。光訊號的偵測方法包含下列步驟。首先，設置混合槽於第一側槽和第二側槽間，並透過微流道相互連接。接著，置放發光化合物和氧化還原劑於混合槽。接著，將電極分別設置於第一側槽和第二側槽，以提供高頻交流電場之電源。再接著，利用交流電場之電源以將發光化合物、氧化還原劑和樣品於混合槽進行混合，以產生化學發光或生物發光。最後，藉由偵測器偵測化學發光或生物發光的光訊號。
根據本發明之目的，提出一種具有發光化合物之微流體混合系統。此微流體混合系統包含微流體混合晶片、電極對和電源供應器。微流體混合晶片包含第一側槽、第二側槽及混合槽。混合槽設置於第一側槽和第二側槽間，並透過微流道相互連接。混合槽內更置放發光化合物和氧化還原劑。其中，將一對電極分別設置於第一側槽和第二側槽。電源供應器供應高頻交流電場之電源，利用交流電場之電源以將發光化合物、氧化還原劑和樣品於混合槽進行混合，產生化學發光或生物發光之光訊號。
承上所述，依本發明之光訊號的偵測方法、具有發光化合物之微流體混合晶片及其系統，其可具有一或多個下述優點：
(1) 本發明搭配光電倍增管(PMT)、光電耦合元件(CCD)等偵測器時，可在短時間內對鐵離子進行連續性偵測，並提高化學發光訊號分佈的再現性。
(2) 本發明搭配電子倍增電荷耦合裝置(EMCCD, electron-multiplying charge-coupled device)的偵測器時，可用以偵測生物發光的光訊號。
(3) 本發明藉由交流電誘發槽道內交角處的電荷產生電滲流(electro-osmotic flow)，利用此電滲流可讓置於槽道中的樣品在短時間內進行高效率的混合，使樣品的混合時間縮短。
請參閱第1圖，其係為本發明之具有發光化合物之微流體混合晶片之示意圖。如圖所示，微流體混合晶片1包含第一側槽11、第二側槽12及混合槽13。混合槽13設置於第一側槽11和第二側槽12間，並分別透過第一微流道141和第二微流道142相互連接。混合槽內具有發光化合物131和氧化還原劑132。發光化合物可為亮光素(Lucigenin)、魯米諾(luminol)或咯吩(lophine)。其中，將一對電極設置於第一側槽11和第二側槽12，以提供高頻交流電場之電源，利用高頻交流電場之電源以將發光化合物131、氧化還原劑132和樣品於混合槽13進行混合，產生化學發光(chemiluminescence, CL)或生物發光(bioluminescence, BL)之光訊號。
化學發光，其定義為發光分子經化學反應而放射出光(常在可見光或遠紅外線波長範圍)。當化學反應產生的能量足夠時，就能夠誘導電子使其由基態躍遷至激發態，而當電子由激發態回至基態時，其所伴隨放射出的光，稱為化學發光。而生物發光是在生物體內經過化學反應所產生的發光，是一種化學發光，例如：螢火蟲的發光就是生物發光最好的例子。
在魯米諾(luminol)的化學發光系統，以使用魯米諾(luminol)/過氧化氫(H2 O2 )/催化劑/鹼性水溶液(OH- )的組成最為普遍。而其產生的化學放光強度正比於魯米諾(luminol)、過氧化氫及催化劑的濃度，因此放光強度的測量，可作為濃度的定量分析。而催化劑的種類有過渡金屬(例如：Fe(II)、Fe(III)、Co(II)、Ni(II)、Cu(II)…等)及其錯合物(例如：Fe(CN)6 3- 、Cu(NH3)6 2+ …等)、過氧化酶(例如：peroxidase)，催化劑的不同會影響魯米諾(luminol)化學放光的產生。
請參閱第2圖，其係為本發明之具有發光化合物之微流體混合系統示意圖。圖中，具有發光化合物之微流體混合系統2包含電源供應器21、電壓放大器22、微流體混合晶片23、電極對24、偵測器25和電腦26。電源供應器21可為一訊號產生器(Function generator)，透過電壓放大器22連接微流體混合晶片23，以提供高頻交流電場之電源至微流體混合晶片23。電壓放大器22用以放大電源的電訊號。
電極對24可為一白金電極，其中一個電極設置於第一側槽231，另一個電極設置於第二側槽232。
當電源供應器21供應電源至微流體混合晶片23時，會使混合槽233內的發光化合物、氧化還原劑和樣品進行混合，並進而產生化學發光或生物發光之光訊號。
為了讓偵測器25接收到化學發光或生物發光的光訊號，本發明更可包含一聚焦鏡組27，係設置於微流體混合晶片23和偵測器25之間，以聚焦化學放光或生物冷光之光訊號。偵測器25可為一光電耦合元件(CCD)、光電倍增管(PMT)或電子倍增電荷耦合裝置(EMCCD, electron-multiplying charge-coupled device)。
當偵測器25為光電耦合元件或光電倍增管時，此微流體驅動系統2可用以偵測化學發光之光訊號。當偵測器25為電子倍增電荷耦合裝置時，此微流體驅動系統2可用以偵測生物發光的光訊號。處理器26連接偵測器25，以處理偵測器25所偵測到的光訊號。
請參閱第3圖，其係為本發明的光訊號的偵測方法流程圖。此偵測方法適用於微流體混合晶片，此微流體混合晶片包含第一側槽、第二側槽及混合槽。偵測方法包含下列步驟。步驟S31，設置混合槽於第一側槽和第二側槽間，並透過微流道相互連接。步驟S32，置放發光化合物、氧化還原劑於該混合槽。此發光化合物可為亮光素(Lucigenin)、魯米諾(luminol)或咯吩(lophine)。
步驟S33，將一對電極分別設置於第一側槽和第二側槽，以提供高頻交流電場之電源。步驟S34，利用電壓放大器以放大電源供應器所供應的電源。步驟S35，利用電壓放大器放大後的電源，將發光化合物、氧化還原劑、過氧化氫、催化劑、鹼性溶液和樣品於混合槽進行混合，並產生化學發光或生物發光。催化劑可為鐵氰化鉀，鹼性溶液可為氫氧化鈉溶液。
步驟S36，利用聚焦鏡組聚焦化學放光或生物冷光之光訊號。步驟S37，藉由偵測器偵測聚焦後的光訊號。偵測器可為光電耦合元件(CCD)、光電倍增管(PMT)或電子倍增電荷耦合裝置(EMCCD, electron-multiplying charge-coupled device)。
<第一實施例-以CCD進行偵測>
請參閱第4A圖，其係為本發明之微流體混合系統未加電場之第一實施例示意圖。請參閱第4B圖，其係為本發明之微流體混合系統外加電場之第一實施例示意圖。
在此實施例中，利用CCD進行化學發光的光訊號偵測，先將過氧化氫置於混合槽，再加入魯米諾(luminol)及催化劑(如鐵氰化鉀)，使其反應發生產生發光。利用將蔗糖水溶液事先與魯米諾(luminol)、過氧化氫或是鐵氰化鉀其中一種混合來達到模擬血液黏滯度的目的。
未加電場及有加電場的實驗各連續做五次後，利用軟體ACDSee 10.0將所有影片拆成圖片後，選取每次加入鐵氰化鉀時發光強度最強的圖片，再以圖像分析(Scion Image)於中央容槽取一個擁有最大面積的正方形，讀取其範圍之平均灰階值，並以之對鐵氰化鉀的加入次數作圖，其結果如第4A圖、第4B圖所示。
在有加電場的情形下可看出有比未加電場的情形下有較好的再現性，未加電場可發現其亮度較不穩定，所以可以說有加電場比未加電場有時間縮短、再現性較高這些優點。
請參閱第5圖，其係為化學放光訊號之偏差值計算之第一實施例示意圖。偏差值的計算方式為(實驗值-平均值)/平均值*100%。當施加電場時，AC 誘導電滲流確實可提升樣品的混合效率，並使化學發光訊號的偏差值減少，再現性提高。
<第二實施例-以PMT進行偵測>
請參閱第6圖，其係為本發明之微流體混合系統之第二實施例之示意圖。請參閱第7圖，其係為化學放光訊號之偏差值計算之第二實施例示意圖。
當採用PMT進行化學放光的光訊號偵測時，不但訊號較易判讀，此外同樣可以觀察到在施加電場時，AC誘導電滲流可提升樣品在中央微混合槽中的混合效率並提高化學發光訊號的再現性。
本發明利用蔗糖水溶液模擬血液的黏滯度，藉由化學發光系統及連續式定量注入藥品來觀測。當施予混合器一高頻率交流電場(100 kHz，30 V/cm)時，由非線性電動流動機制所增進的混合效果可藉著使用超高感度黑白攝影機來拍攝發光現象而觀測到，並探討當未加電場與施加一高頻交流電場來推動的差異性。
由實驗結果證實，當未加電場時，中央槽道溶液因受黏滯度的影響使得溶液彼此之間有混合不均的現象產生，而在施加一交流電場的情況下，能促使混合槽內之試劑在短時間內達成快速混合並較均勻，也有較好的再現性。藉由調整其它的實驗條件，來應用在血液中鐵離子濃度的快速定量。
經由實驗證實此混合器可應用在化學發光的實驗上，故應可用於生物冷光的實驗上，但是生物發光的發光強度太弱，必須藉由共軛聚焦的方式來觀測，以避免發光處周圍雜訊的干擾，故若將此混合器與共軛聚焦顯微鏡作結合，再加上合適的鏡組以達到最佳的觀測條件，亦可用於定量分析上。
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、23‧‧‧微流體混合晶片；
11、231‧‧‧第一側槽；
12、232‧‧‧第二側槽；
13、233‧‧‧混合槽；
131‧‧‧發光化合物；
132‧‧‧氧化還原劑；
141‧‧‧第一微流道；
142‧‧‧第二微流道；
2‧‧‧微流體混合系統；
21‧‧‧電源供應器；
22‧‧‧電壓放大器；
24‧‧‧電極對；
25‧‧‧偵測器；
26‧‧‧電腦；
27‧‧‧聚焦鏡組；以及
S31-S37‧‧‧步驟。
第1圖係為本發明之具有發光化合物之微流體混合晶片示意圖；
第2圖係為本發明之具有發光化合物之微流體混合系統示意圖；
第3圖係為本發明的光訊號的偵測方法流程圖；
第4A圖係為本發明之微流體混合系統未加電場之第一實施例示意圖；
第4B圖係為本發明之微流體混合系統外加電場之第一實施例示意圖；
第5圖係為化學放光訊號之偏差值計算之第一實施例示意圖；
第6圖係為本發明之微流體混合系統之第二實施例之示意圖；以及
第7圖係為化學放光訊號之偏差值計算之第二實施例示意圖。
2‧‧‧微流體混合系統
21‧‧‧電源供應器
22‧‧‧電壓放大器
23‧‧‧微流體混合晶片
231‧‧‧第一側槽
232‧‧‧第二側槽
233‧‧‧混合槽
24‧‧‧電極對
25‧‧‧偵測器
26‧‧‧電腦
27‧‧‧聚焦鏡組

Claims (17)

  1. 一種具有發光化合物之微流體混合晶片，係包含：
    一第一側槽；
    一第二側槽；以及
    一混合槽，係設置於該第一側槽和該第二側槽間，並透過一微流道相互連接，該混合槽係具有一發光化合物和一氧化還原劑；
    其中，將一對電極分別設置於該第一側槽和該第二側槽，以提供一高頻交流電場之電源，利用該高頻交流電場之電源以將該發光化合物、該氧化還原劑和一樣品於該混合槽進行混合，以產生一化學發光或一生物發光之光訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微流體混合晶片，其中該發光化合物係包含亮光素(Lucigenin)、魯米諾(luminol)或咯吩(lophine)。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微流體混合晶片，其中該混合槽更容置一過氧化氫、一催化劑及一鹼性水溶液，該混合槽混合該過氧化氫、該催化劑、該鹼性水溶液、該發光化合物、該氧化還原劑和該樣品，以產生該化學發光或該生物發光之光訊號。
  4. 一種光訊號的偵測方法，適用於一微流體混合晶片，該微流體混合晶片包含一第一側槽、一第二側槽和一混合槽，該偵測方法包含下列步驟：
    設置該混合槽於該第一側槽和該第二側槽間，並透過一微流道相互連接；
    置放一發光化合物和一氧化還原劑於該混合槽；
    將一對電極分別設置於該第一側槽和該第二側槽，以提供一高頻交流電場之電源；
    利用該交流電場之電源以將該發光化合物、該氧化還原劑和一樣品於該混合槽進行混合，以產生一化學發光或一生物發光；以及
    藉由一偵測器偵測該化學發光或該生物發光的光訊號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之偵測方法，其中該發光化合物係包含亮光素(Lucigenin)、魯米諾(luminol)或咯吩(lophine)。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之偵測方法，其中更包含設置一過氧化氫、一催化劑及一鹼性水溶液於該混合槽之步驟，藉由該混合槽將該過氧化氫、該催化劑、該鹼性水溶液、該發光化合物、該氧化還原劑和該樣品進行混合，以產生該化學發光或該生物發光之光訊號。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之偵測方法，其中更包含利用一電壓放大器以放大該電源之步驟。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之偵測方法，其中係利用一光電耦合元件(CCD)、一光電倍增管(PMT)或一電子倍增電荷耦合裝置(EMCCD, electron-multiplying charge-coupled device)以偵測該化學發光或該生物發光之光訊號。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之偵測方法，其中更包含利用一聚焦鏡組聚焦該化學發光或該生物發光之光訊號之步驟。
  10. 一種具有發光化合物之微流體混合系統，係包含：
    一微流體混合晶片，係包含：
    一第一側槽；
    一第二側槽；以及
    一混合槽，係設置於該第一側槽和該第二側槽間，並透過一微流道相互連接，該混合槽係具有一發光化合物和一氧化還原劑；
    一電極對，該電極對分別設置於該第一側槽和該第二側槽；以及
    一電源供應器，係提供一高頻交流電場之電源，利用該交流電場之電源以將該發光化合物、該氧化還原劑和一樣品於該混合槽進行混合，產生一化學發光或一生物發光之光訊號。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之微流體混合系統，其中該發光化合物係包含亮光素(Lucigenin)、魯米諾(luminol)或咯吩(lophine)。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之微流體混合系統，其中該混合槽更容置一過氧化氫、一催化劑及一鹼性水溶液，該混合槽混合該過氧化氫、該催化劑、該鹼性水溶液、該發光化合物、該氧化還原劑和該樣品，以產生該化學發光或該生物發光之光訊號。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之微流體混合系統，其中更包含一電壓放大器，係連接該電源供應器，以放大該電源的電訊號。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之微流體混合系統，其中更包含一偵測器，係連接該微流體混合晶片，以偵測該化學發光或該生物發光之光訊號。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之微流體混合系統，其中更包含一聚焦鏡組，係連接該偵測器，以聚焦該化學發光或生物發光之光訊號。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之微流體混合系統，其中該偵測器係為一光電耦合元件(CCD)、光電倍增管(PMT)或電子倍增電荷耦合裝置(EMCCD, electron-multiplying charge-coupled device)。
  17. 如申請專利範圍第10項所述之微流體混合系統，其中該電極對係為一白金電極。
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莊嚴，利用交流電場誘導電滲流現象在含有微結構的微流體晶片中加速生物分子和感測基質的鍵結，國立中正大學化學暨生物化學系，民國98年7月。 *

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