TWI417531B - 介電泳粒子濃縮器以及濃縮與偵測方法 - Google Patents

Description

介電泳粒子濃縮器以及濃縮與偵測方法

本發明是有關於一種介電泳粒子濃縮器以及濃縮與偵測方法，更特別的是關於一種具有高效率濃縮效果之介電泳粒子濃縮器以及農所與偵測方法。

生活中有許多微量病菌存在於食物、飲水中，而血液、尿液檢測也是針對多項微量病菌做測定，近年發展的生物晶片有許多是要簡化微量測定的過程。其中，利用介電泳機制來濃縮流體樣本中的微量粒子，以利於測定。不同介電性質粒子受介電泳(dielectrophoresis，DEP)力作用使在流動的流動體中漂浮的粒子被聚集在一偵測區域以被偵測。

介電泳力的產生是由於存在有電場梯度，即是不均勻電場的環境下而產生。圖1繪示介電泳力對介電物體的作用機制示意圖。參閱圖1(a)，例如藉由一個平板電極64與一區域電極62施加交流電源或是直流電源時，由於平板電極64與區域電極62不對稱，導致不均勻的電場60。例如，區域電極62是處在正電位而平板電極64是處在負電位時，其電場60如電場線所示會不均勻，且靠近區域電極62有較強的電場。對於會產生正介電泳(p-DEP)力的介電粒子，其負電荷端是較接近區域電極62，而正電荷端是較接近平板電極64。由於電場強度不同，上端被區域電極62的吸引力量，如粗箭頭所示會大於下端被平板電極64的吸引力量。因此，正DEP粒子會向上移動。

反之如圖1(b)所示，對於會產生負介電泳(n-DEP)力的介電粒子，其負電荷端是較接近平板電極64，而正電荷端是較接近區域電極62。此時，上端被區域電極62的排斥力量，如粗箭頭所示會大於下端被平板電極64的排斥力量。因此，負DEP粒子會向下移動。對於交流電而言，下一個電場相位，也是依不均勻的電場而移動介電泳粒子，如此可藉由介電泳力達到分離濃縮介電泳粒子的效果。

雖然介電泳力已被應用到偵測微量粒子的應用，要如何設計藉由介電泳力更有效濃縮微量粒子的設計仍是繼續在研發中。

本發明提供介電泳粒子濃縮器以及濃縮方法，其例如搭配偵測電極之三維介電泳裝置，至少可應用於水質檢測、血液檢測、尿液檢測等液態樣品檢測。

本發明提供一種介電泳粒子濃縮器，包括一第一基板、一組偵測電極、一第二基板、一凸出結構及一組邊壁結構。第一基板延伸於一第一方向。偵測電極設置在第一基板上，延伸於一第二方向與第一方向交叉。第二基板設置在第一基板上方，延伸於該第一方向。凸出結構設置在第二基板上朝第一基板凸出，其中凸出結構的一頂部構成一線狀結構延伸於該第二方向，與偵測電極鄰近。邊壁結構與第一基板與第二基板整合，構成一管狀結構，可以使一流體由一端流經該凸出結構到另一端。

本發明更提供一種介電泳粒子濃縮器包括一基板、一邊壁結構、一第一介電層及一對電極。邊壁結構設置在基板上構成一流體容置空間。第一介電層設置在基板上與邊壁結構整合。第一介電層有一第一尖端與相對區域的該邊壁結構接近而構成一閘口。該對電極設置在該基板上，位於第一介電層的兩側，其中當該對電極施加一操作電壓時產生一電場，該電場在該閘口處被壓縮產生一介電泳力。

本發明更提供一種介電泳粒子濃縮器，包括一流體管結構允許含有待測粒子的一流體流經該流體管結構，其中該流體管結構的內部有橫向凸出的一凸出結構以構成一線狀閘口。又例如，介電泳粒子濃縮器依實際需要可更設置一組偵測電極設置在該流體管狀結構的一管壁，且鄰近該線狀閘口。

本發明更提供一種介電泳粒子濃縮方法，包括提供一流體管結構，其中該流體管結構的內部有橫向凸出的一凸出結構以構成一線狀閘口。接著，將含有待測粒子的一流體使流經該流體管結構；以及施加一電場經過該線狀閘口，如此以產生一介電泳力濃縮該些待測粒子。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

本發明提出介電泳粒子濃縮器，例如濃縮器搭配偵測電極，而更例如以三維方式設計介電泳裝置，達到較大的能縮區域，可應用於例如水質檢測、血液檢測或尿液檢測等的液態樣品檢測。以下舉一些實施例說明本發明，但是本發明不僅限於所舉的一些實施例。又所舉的一些實施例之間也可以互相適當結合。

圖2繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器機制示意圖。參閱圖2，介電泳粒子濃縮器要產生介電泳力的方式是藉由一流體管的內部設置一凸出結構，以將電場壓縮而產生介電泳力。其結構上例如有一下基板100與一上基板104。在下基板100，其寬度W例如是100微米。下基板100與上基板104相隔一距離H，例如是300微米。上基板104有一凸出結構108，朝向下基板100的方向凸出。凸出結構108例如是三角柱的結構，而頂端110接近於下基板100的表面102。如此上基板104的表面106在頂端110的區域會構成一線狀的閘口。如果對此結構施加由一端到另一端的一電場112，其會在凸出結構108的頂端110經過閘口處而被壓縮而產生電場梯度，也因此產生介電泳力。當樣本流體114如流體線所示流經過線狀的閘口，其待測微量粒子會因為介電泳力的作用而濃縮於頂端110的區域。

圖3繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器的剖面透視示意圖。圖4繪示依據本發明一實施例，圖3的介電泳粒子濃縮器旋轉一角度後的剖面透視示意圖。

參閱圖3與圖4，介電泳粒子濃縮器例如是以直角管狀結構為例，沿著管狀結構剖開後的正面視覺透視示意圖。以圖示的方向為例，基板200的作用如圖2的下基板，另外一基板202的作用如圖2的上基板，其中凸出結構204用以在尖端區域210構成閘口而產生介電泳力。兩個側壁250會將二個基板200、202的側邊蓋住，成為管狀結構，但是在此剖面圖式僅看到一個側壁250的內表面。樣本流體如粗箭頭所示，由一入口流向出口，反之亦可。出入口206、208是管線的出入口使流體動，因此可以由一般方式達成，無需特定結構。另外，其仍需要施加一驅動電場E，如箭頭的方向施加。驅動電場E的施加，於此實施例例如可利用設置在管狀結構外部的電場產生裝置(未示於圖)來施加以產生驅動電場。如此，在凸出結構204的尖端區域210處產生介電泳力，將樣本流體中的待測粒子濃縮於該處。為了方便偵測樣本流體中的待測粒子，在基板200上對應凸出結構204的尖端區域210下方設置例如有一組偵測電極212。偵測電極212可以隨時偵測是否有待測粒子被濃縮在尖端區域210的區域。熟此技藝者亦可以其他輔助的偵測儀器替代，來偵測待測粒子。

於此實施例，凸出結構204與基板202是整體的結構，就製作上例如可以是一單獨的結構體，或是黏合的結構體皆可。另外，凸出結構204的幾何形狀，其截面也不限於三角形。只要能達到流體閘口，也同時產生介電泳力的效果即可。換句話說，基板200更例如也可以有另一個凸出結構與基板202的凸出結構204相對。又管狀結構的橫截面的形狀也毋須限定在直角四面的形狀。例如，管狀結構有可以是圓管結構。如此，側壁250就與基板200、202整合成結構體。

圖5繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器的剖面透視示意圖。圖6繪示依據本發明一實施例，圖5的介電泳粒子濃縮器旋轉一角度後的剖面透視示意圖。

參閱圖5與圖6，介電泳粒子濃縮器與圖3與圖4的結構類似，而差異的地方是施加電場的方式。本實施例，在基板200上更設置一對驅動電極214，其例如當作驅動電極用以產生電場，如圖5的電場線以箭頭示意。由於電場不均勻而產生介電泳力，介電泳力的產生例如是由於凸出結構204的尖端對電場的壓縮，其配合基板200構成縮小的閘口，也允許流體經過。因此，電場的施加可以設置在閘口附近即可，且可以容易達到高強度的介電泳力。所示的一對驅動電極214可以直接製作在基板200上，因此無需外部的電場產生裝置。至於驅動電極214的結構，雖然不限於特定結構，但是依照凸出結構204的尖端的延伸方式，例如可以用條狀的電極配合凸出結構204的形狀做設計。驅動用的驅動電極214可以在凸出結構204的尖端區域210處產生介電泳力，將樣本流體中的待測粒子濃縮於該處。又，驅動用的驅動電極214也可以配合凸出結構204產生電滲流(EOF)，例如以驅動微粒子往某一特定方向運動，使得在凸出結構204可縮的範圍，不侷限於特定的小範圍。

就一般性而言，介電泳粒子濃縮器例如是包括一流體管結構允許含有待測粒子的一流體流經流體管結構。流體管結構的內部有橫向凸出的凸出結構以構成一線狀閘口。一組偵測電極設置在該流體管結構的一管壁，且鄰近該線狀閘口。至於電場的施加方式可以是外部施加或是內部施加。

又，就介電泳粒子濃縮方法而言，其包括提供一流體管結構，而流體管結構的內部有橫向凸出的一凸出結構以構成一線狀閘口。接著，將含有待測粒子的一流體使流經該流體管結構，以及施加一電場經過該線狀閘口，如此以產生一介電泳力濃縮該些待測粒子。

又，在施加該電場時，其可以包括調整一電壓頻率使得流體中的待測粒子在流體管結構中往一特定方向移動，其中藉由電壓頻率可控制待測粒子的濃縮、釋放與移動。

就偵測被濃縮粒子的方式而言，除了上述藉由偵測電極偵測外，可再配合一光學偵測裝置216，由外部偵測被濃縮粒子，其中至少在偵測區域是透明區域，但是基板200也可以直接採用透明材料。當使用光學偵測裝置時，偵測電極可以一併使用或甚至省去。圖7繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器配合驅動電極的偵測系統視示意圖。

參閱圖7，本實施例是以在基板200上沒有設置偵測電極為例，然而在基板200上也可以同時設置偵測電極，毋需限制。於圖7的實施例，粒子濃縮機制仍維持，但是由於基板200上沒有設置偵測電極，其可以藉由外部的光學偵測裝置216進行偵測。

前述的實施例中，流體中的待測粒子的濃縮區域是線狀的濃縮方式，因此較容易達到濃縮的效果。然而，其也可以針對點狀區域的濃縮方式。圖8繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器的上視剖面透視示意圖。圖9繪示依據本發明一實施例，圖8的介電泳粒子濃縮器旋轉一角度後的剖面透視示意圖。

參閱圖8與圖9的一實施例，介電泳粒子濃縮器包括一基板306、一邊壁結構300、介電層302、304及一對驅動電極308、310。邊壁結構300設置在基板306上構成一流體容置空間。介電層302設置在基板306上與邊壁結構300整合。介電層302、304都有一尖端相對應構成一閘口區域316。驅動電極308、310設置在基板306上，位於介電層302的兩側，其中當此一對驅動電極308、310施加一操作電壓時產生一電場。電場在閘口處被壓縮產生一介電泳力。樣本流體中的待測粒子會濃縮於閘口區域316。在基板306上有可以有一組偵測電極312、314以偵測在濃縮在閘口區域316的待測粒子濃度。又，為了使樣本流體流過，其邊壁結構300也設置有入口與出口350、352，其可以實際需設計。又如果需要的話，例如可以增加另一基板覆蓋於邊壁結構300上。

又於此實施例，二個介電層302、304與邊壁結構300整合，被使用以構成閘口區域316。然而其也可以只用一個介電層302來構成閘口，其介電層302可以延伸到邊壁結構300，此時的邊壁結構300於介電層302相對應之處例如可以是平坦面，其例如圖4的凸出結構204與基板200的幾何結構。

本實施例的電場是藉由內部的一對驅動電極308、310來達成。由於電場可以接近閘口施加，例如可以簡化整體系統，也可以有助於介電泳力的控制，以及待測粒子的偵測。

圖10繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器的上視剖面透視示意圖。圖11繪示依據本發明一實施例，圖9的介電泳粒子濃縮器旋轉一角度後的剖面透視示意圖。

參閱圖10與圖11，其結構與圖8及圖9相似，但是沒有偵測電極的配置。要偵測被濃縮的待測粒子的方式，可以由外部儀器做觀測即可。換句或說，偵測電極可以依照實際需要設置。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

50．．．介電物體

60．．．電場線

62．．．區域電極

64．．．平板電極

100．．．下基板

102．．．表面

104．．．上基板

106．．．表面

108．．．凸出結構

110．．．頂端

112．．．電場

114．．．樣本流體

200、202．．．基板

204‧‧‧凸出結構

206‧‧‧出入口

208‧‧‧出入口

210‧‧‧尖端區域

212‧‧‧偵測電極

214‧‧‧驅動電極

216‧‧‧光學偵測裝置

250‧‧‧側壁

300‧‧‧邊壁結構

302、304‧‧‧介電層

306‧‧‧基板

308、310‧‧‧驅動電極

312、314‧‧‧偵測電極

316‧‧‧閘口區域

350‧‧‧入口

352‧‧‧出口

圖1繪示介電泳力機制示意圖。

圖2繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器機制示意圖。

圖3繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器的剖面透視示意圖。

圖4繪示依據本發明一實施例，圖3的介電泳粒子濃縮器旋轉一角度後的剖面透視示意圖。

圖5繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器的剖面透視示意圖。

圖6繪示依據本發明一實施例，圖5的介電泳粒子濃縮器旋轉一角度後的剖面透視示意圖。

圖7繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器配合驅動電極的偵測系統視示意圖。

圖8繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器的上視剖面透視示意圖。

圖9繪示依據本發明一實施例，圖8的介電泳粒子濃縮器旋轉一角度後的剖面透視示意圖。

圖10繪示依據本發明一實施例，介電泳粒子濃縮器的上視剖面透視示意圖。

圖11繪示依據本發明一實施例，圖10的介電泳粒子濃縮器旋轉一角度後的剖面透視示意圖。

200、202‧‧‧基板

204‧‧‧凸出結構

206‧‧‧出入口

208‧‧‧出入口

210‧‧‧尖端區域

212‧‧‧偵測電極

250‧‧‧側壁

Claims (19)

1. 一種介電泳粒子濃縮器，包括：一第一基板，延伸於一第一方向；一組偵測電極，設置在該第一基板上，延伸於一第二方向與第一方向交叉；一第二基板，在該第一基板上方，延伸於該第一方向；一凸出結構，設置在該第二基板上朝該第一基板凸出，其中該凸出結構的一頂部構成一線狀結構延伸於該第二方向，與該組偵測電極鄰近；以及一組邊壁結構，與該第一基板與該第二基板整合構成一管狀結構，其中該管狀結構可以使一流體由一端流經該凸出結構到另一端。
2. 如申請專利範圍第1項所述之介電泳粒子濃縮器，其中該凸出結構在該第一方向的一剖面結構有一尖凸結構鄰近於該組偵測電極。
3. 如申請專利範圍第1項所述之介電泳粒子濃縮器，其中該凸出結構的該頂部是用以濃縮介電泳粒子的一濃縮區域。
4. 如申請專利範圍第1項所述之介電泳粒子濃縮器，更可接收一外部電場，該外部電場是由該管狀結構的一端到另一端的一方向施加，其中該外部電場在該凸出結構的該頂部被壓縮產生一介電泳力。
5. 如申請專利範圍第4項所述之介電泳粒子濃縮器，其中當含有待測粒子的一流體流經該凸出結構時，該 介電泳力將該待測粒子濃縮於該凸出結構的該頂部的區域。
6. 如申請專利範圍第1項所述之介電泳粒子濃縮器，更包括一對驅動電極設置在該第一基板上，位於該凸出結構的兩側，當施加一操作電壓時會產生一電場經過該凸出結構與該第一基板之間，且在該凸出結構的該頂部被壓縮產生一介電泳力。
7. 如申請專利範圍第6項所述之介電泳粒子濃縮器，當含有待測粒子的一流體流經該凸出結構時，該介電泳力將該待測粒子濃縮於該凸出結構的該頂部的區域。
8. 如申請專利範圍第6項所述之介電泳粒子濃縮器，其中該電極是一對平行條狀電極，於該第二方向延伸。
9. 如申請專利範圍第1項所述之介電泳粒子濃縮器，其中該第一方向與該第二方向接近垂直。
10. 一種介電泳粒子濃縮器，包括：一流體管結構允許含有待測粒子的一流體流經該流體管結構，其中該流體管結構的內部有橫向凸出的一凸出結構以構成一線狀閘口。
11. 如申請專利範圍第10項所述之介電泳粒子濃縮器，更包括一組偵測電極設置在該流體管結構的一管壁，且鄰近該線狀閘口。
12. 如申請專利範圍第11項所述之介電泳粒子濃縮器，其中在該流體管結構的該管壁上更設置有一對電極，用以產生一電場經過該線狀閘口而被壓縮產生介電泳力。
13. 一種介電泳粒子濃縮方法，包括：提供一流體管結構，其中該流體管結構的內部有橫向凸出的一凸出結構以構成一線狀閘口；將含有待測粒子的一流體使流經該流體管結構；以及施加一電場經過該線狀閘口，如此以產生一介電泳力濃縮該些待測粒子。
14. 如申請專利範圍第13項所述之介電泳粒子濃縮方法，其中施加該電場的步驟包括由外部沿著該流體管結構施加。
15. 如申請專利範圍第13項所述之介電泳粒子濃縮方法，其中施加該電場的步驟包括設置一對電極在該流體管結構的一管壁上，由內部施加該電場。
16. 如申請專利範圍第13項所述之介電泳粒子濃縮方法，其中施加該電場時包括調整一電壓頻率使得該些待測粒子在該流體管結構中往一特定方向移動，其中藉由該電壓頻率可控制該些待測粒子的濃縮、釋放與移動。
17. 如申請專利範圍第13項所述之介電泳粒子濃縮方法，更包括偵測被濃縮的該些待測粒子。
18. 如申請專利範圍第17項所述之介電泳粒子濃縮方法，其中偵測被濃縮的該些待測粒子的步驟包括藉由在該流體管結構內部對應該線狀閘口處設置一偵測電極以進行偵測。
19. 如申請專利範圍第17項所述之介電泳粒子濃縮方法，其中偵測被濃縮的該些待測粒子的步驟包括藉由在 該流體管結構外部對應該線狀閘口處設置進行一光學偵測。