TWI428600B - 生物微流道檢測裝置及其分子檢測方法 - Google Patents

生物微流道檢測裝置及其分子檢測方法 Download PDF

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Description

生物微流道檢測裝置及其分子檢測方法
本發明係關於一種生物微流道檢測裝置及其分子檢測方法，尤指一種結合光學元件及多孔性滲透膜之生物微流道檢測裝置及其分子檢測方法。
目前所開發的生物微流道檢測裝置，大部分都藉由外加的趨動元件推擠封閉迴路內之樣本溶液，使生物微流道檢測裝置達到傳輸、混合、推動與檢測等功能，其中各種生物微流道檢測裝置主要係利用不同幾何形狀的微流道設計，或者是裝置中不同的驅動力，達到對流體的控制、混合或反應。曾有研究以生物微流道仿擬細胞生理環境，以期能夠偵測細胞間、生物性分子間、待測藥物-細胞的交互作用，但所開發出之裝置成本昂貴，通常需要搭配特定系統才可使用，且整體系統體積龐大，檢測時間長。
近年來，隨者表面電漿共振(surface plasmon resonance，SPR)技術的發展逐漸成熟，其已廣泛應用於化學及生物分子之特性或兩分子間交互作用之檢測。傳統的表面電漿共振感測技術，擁有高靈敏度、動態變化的即時測量、以及在生物感測上無需標的等優勢。與表面電漿共振理論相同架構之光纖，因體積小、成本低等因素而被廣泛利用。再加上，生物感測技術亦日漸成熟，許多生物檢測系統已被大量應用在各個領域，近日尤因流感病毒的大肆傳染，病毒檢測與防疫等問題又再次提昇，因此即時、快速篩選系統便成急需發展的目標。
已有研究發表使用表面電漿子共振之光學檢測元件，結合前述幾何形狀的微流道裝置，以期能夠加速蛋白質免疫檢測，更加精確的檢測出生物性分子。然而，此種高靈敏度的生物檢測系統，都因為其微流體系統之設計不易且需搭配外部樣本驅流裝置，而失去了即時性就地檢測的可行性。若要改良現行的生物微流道裝置，將其體積微小化，現行技術有其困難性且難以控制一致性。
不過，若能夠發展出一種體積小、成本低、使用方便及操作簡易之生物微流道檢測裝置，其中不需要特定的幾何形狀微流道設計，亦無需外接驅動樣本流動的裝置，便可達到即時且快速檢測生物樣本的目的。
鑑於上述，本發明提供一種生物微流道檢測裝置，包括：一多孔性滲透膜元件，具有一第一端及一相對之第二端，該第一端具有一樣本裝載區，以容納樣本分子；一吸收墊材元件，連接該多孔性滲透膜元件之該第二端，以導引該樣本分子自該多孔性滲透膜元件的該樣本裝載區往該第二端移動；以及一光學檢測元件，具有一檢測區，該檢測區面對該多孔性滲透膜元件，以檢測其中之該樣本分子。
本發明亦提供一種分子檢測方法，包括以下步驟：提供本發明之生物微流道檢測裝置；將一樣本分子裝載於該多孔性滲透膜元件之該樣本裝載區，使該樣本分子自該多孔性滲透膜元件之該第一端往該第二端移動；以及由該光學檢測元件輸出之訊號鑑定該樣本分子。
本發明利用吸收墊材元件(wicking pad)導引多孔性滲透膜元件中的樣本分子，此時多孔性滲透膜元件中之眾多微孔洞便成為樣本分子的微流道，在吸收墊材元件導引下，樣本分子便藉由毛細現象，自多孔性滲透膜元件的第一端往第二端移動，再加上藉由表面電漿子共振原理，使用光學檢測元件偵測微流道中樣本分子，如此便可即時偵測樣本分子的濃度及種類。
上述生物微流道檢測裝置及分子檢測方法中，該光學檢測元件與該多孔性滲透膜元件可交錯配置。此外，該多孔性滲透膜元件可為一硝酸纖維素膜。由於硝酸纖維素對於蛋白質或核酸等生物性分子具有良好的穩定性，因此在檢測生物性分子時相當適用。
上述生物微流道檢測裝置及分子檢測方法中，該光學檢測元件沒有特別限制，舉例可為光纖感測元件。另外，所偵測的樣本分子亦沒有限制，舉例可為核酸、醣類、蛋白質、脂類、磷脂、糖脂、固醇、維生素、激素、胺基酸、核苷酸、胜肽等生物性分子，而化學品、藥物等非生物性分子亦可做為檢測之標的。
上述生物微流道檢測裝置可更包括：一底板，其具有一開口、一第一表面以及一相對之第二表面，其中該吸收墊材元件及該多孔性滲透膜元件係配置於該底板之該第一表面，且該多孔性滲透膜元件之該樣本裝載區係對應該底板之該開口。此檢測裝置可再包括：一樣本墊，配置於該底板之該第二表面，且經由該底板之該開口與該多孔性滲透膜元件之該樣本裝載區連接。
本發明提出一種利用多孔性滲透膜配合吸收墊材，做為生物微流道的設計概念，其中使用具有熱穩定、高透性、安全性高且適用於生物性分子的多孔性滲透膜，搭配吸收墊材，藉由毛細現象達到對液體的傳輸與推動。由於使用的多孔性滲透膜適合進行生物性分子，吸收墊材取得容易、價格低廉，且整體生物微流道設計簡易且無需設計封閉迴路，因此本發明的檢測裝置可適用於各種生物感測系統中。
本發明檢測裝置中，申請人曾使用硝酸纖維素濾膜做為多孔性滲透膜元件，並先後以黃、藍兩種不同顏色的液體，針對硝酸纖維素濾膜進行測試，可以發現黃色液體因受到表面張力與吸收墊材之作用力，迅速往另一側(即吸收墊材方向)流動，當再滴入藍色液體，可發現藍色液體除具方向性且迅速地吸收墊材流動外，同時也將黃色液體向前推動。由結果可見，多孔性滲透膜式生物微流道具有讓液體具方向性流動且推動之特性。
因此，本發明以側拋型光纖感測元件做為光學感測元件，結合多孔性滲透膜元件及吸收墊材元件，藉由毛細現象的表面張力原理，達到生物微流道之功能，同時提升樣本分子檢測的便利性與穩定性，而本發明檢測裝置中各元件設計簡易且成本低，可進而應用於開發微小體積的生物檢測系統。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
本發明之實施例中該等圖式均為簡化之示意圖。惟該等圖示僅顯示與本發明有關之元件，其所顯示之元件非為實際實施時之態樣，其實際實施時之元件數目、形狀等比例為一選擇性之設計，且其元件佈局型態可能更複雜。
實施例一
參考圖1a，圖1a為本發明生物微流道檢測裝置的結構示意圖。如圖1a所示，檢測裝置包含吸收墊材元件10、多孔性滲透膜元件11及光學檢測元件12。在檢測裝置中，多孔性滲透膜元件11具有眾多孔洞，這些孔洞可組成微流道供樣本移動，因此多孔性滲透膜元件11可做為偵測濾膜(analytical membrane)；此外，多孔性滲透膜元件11具有第一端111及相對之第二端112，其中第一端111具有一樣本裝載區L，可以容納樣本分子。本實施例使用硝酸纖維素濾膜(nitrocellulose membrane)做為多孔性滲透膜元件11，此種材質一般具有良好的熱穩定性，故適用於做為蛋白質及核酸等生物性分子的微流道。
吸收墊材(wicking pad)元件10覆蓋於多孔性滲透膜元件11之第二端112，故在多孔性滲透膜元件11第一端111之樣本裝載區L的樣本分子，經由吸收墊材元件10導引，利用毛細現象，往多孔性滲透膜元件11的第二端112移動。
光學檢測元件12具有檢測區S，此檢測區S面對多孔性滲透膜元件10，以檢測在其中移動之樣本分子，本實施例使用光纖感測元件做為光學感測元件12。在圖1中，雖然光學檢測元件12交錯配置於吸收墊材元件10下方，但本領域通常知識者應了解此並非為唯一的配置方式，可因應需求而有所變動。
實施例二
參考圖1b，圖1b為本發明生物微流道檢測裝置的另一結構示意圖。如圖1b所示，本實施例之檢測裝置包含吸收墊材元件10、多孔性滲透膜元件11、光學檢測元件12、底板13以及樣本墊14。
多孔性滲透膜元件11具有第一端111及相對之第二端112，第一端111具有樣本裝載區L，可以容納樣本分子，第二端112與吸收墊材元件10連接。
底板13具有開口130、第一表面131以及相對之第二表面132，其中吸收墊材元件10及多孔性滲透膜元件11配置於底板13之第一表面131，且多孔性滲透膜元件11之樣本裝載區L對應底板13之開口130。
光學檢測元件12具有檢測區S，此檢測區S面對多孔性滲透膜元件10，位於多孔性滲透膜元件11之下方且兩者交錯配置。
樣本墊14配置於底板13之第二表面132，且穿過底板13之開口130與多孔性滲透膜元件11之樣本裝載區L連接。
比較例一
參考圖7，圖7為表面共振技術光學元件之檢測裝置的結構示意圖。如圖7所示，此檢測裝置具有透明玻璃皿21、光學檢測元件12，光學檢測元件12壓在玻璃皿21下方，玻璃皿21中具有樣本裝載區L，而光學檢測元件12具有感測區S，光學檢測元件12之感測區S面對玻璃皿21之樣本裝載區L。因此，當樣本分子裝載於玻璃皿21之樣本裝載區L時，光學檢測元件12之感測區S則可根據訊號檢測樣本分子。
測示例一　流動性測試
本測試例係測試樣本分子是否會在多孔性滲透膜元件11中移動。
在實施例一檢測裝置中，以每兩秒為單位進行光譜儀掃描，然後於樣本裝載區L中，滴入去離子水，待訊號穩定後，再逐漸低入酒精。因多孔性滲透膜元件11構成微流道讓液體在其中移動，因此酒精會推動去離子水往前移動吸收墊材10，直到酒精完全取代去離子水成為光學感測元件12所偵測的目標。
結果如圖2所示，0秒為去離子水的光譜圖，隨著酒精滴入(2至8秒)，訊號逐漸往又位移，亦即傾向位移(dip shift)逐漸加大，由6、8秒可知光學感測元件12感測到純酒精，其中已經不含去離子水，因此樣本分子在多孔性滲透膜元件11中流動性良好。
測示例二　相混合性測試
本測試例係測試樣本分子是否會在多孔性滲透膜元件11中發生混合。
使用實施例一之檢測裝置，將20%、40%及60%的甘油水溶液，逐次滴入樣本裝載區L中。結果如圖3之光譜圖所示，其中清楚呈現三個訊號位置，由此可知本發明檢測裝置在測試不同樣本時，不會出現樣本相混合的現象。此外，由圖3亦可知，隨著甘油濃度增加，傾向位移(dip shift)亦逐漸增加，表示本發明檢測裝置不僅可判定不同樣本分子。
測示例三 殘留性測試
本測試例係測試樣本分子是否會在多孔性滲透膜元件11中發生殘留。
使用實施例一之檢測裝置，將去離子水滴入樣本裝載區L中，持續1分鐘後停止，經過數分鐘後再次滴入，如此反覆多次，結果如圖4之光譜圖所示，其中清楚呈現出去離子水的訊號，且兩次滴入之間可以很清楚的區別，且訊號出現與滴入去離子水的時間點相符，未有訊號的情況亦與沒有低入去離子水的時間點相符，由此可知本發明之檢測裝置不會發生樣本殘留的現象。
測示例四　生物素-小牛血清蛋白(Biotin-BSA)測試
本測試例係測試本發明檢測裝置是否可用來檢測低濃度的生物性分子。
使用實施例一及比較例一之檢測裝置，檢測0.5μg/mL及7.5μg/mL之生物素-小牛血清蛋白，結果如圖5所示，其中，圖5a及5b為使用比較例一之檢測裝置，分別針對0.5μg/mL及7.5μg/mL之生物素-小牛血清蛋白進行檢測；圖5c及5d為使用實施例一之檢測裝置，分別針對0.5μg/mL及7.5μg/mL之生物素-小牛血清蛋白進行檢測。
圖中「直接測量」的曲線，表示將生物素-小牛血清蛋白，直接滴在實施例一及比較例一之檢測裝置的樣本裝載區L中所測得的光譜圖。
圖中「DAB呈色」的曲線，則表示實施例一及比較例一之檢測裝置的光學感測元件12表面，先行經過以下表面修飾步驟：以11-巰基十一酸(11-mercaptoundecanoic acid，MUA)處理光學檢測元件表面，使其表面帶有羧基，而後再結合使用1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳化二亞胺(1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide，EDC)/N-羥基琥珀醯亞胺(N-hydroxysuccinimide，NHS)活化羧基，讓羧基可以鍵結生物素-小牛血清蛋白，而後以阻隔緩衝液(blocking buffer)阻隔其他未鍵結生物素-小牛血清蛋白的部份，再以卵白素(Streptavidin)-山葵過氧化氫酶(horseradish peroxidase，HRP)與生物素-小牛血清蛋白結合。最後，將二胺基聯苯胺(3,3'-Diaminobenzidine，DAB)或3,3',5,5'-四甲基聯苯胺(3,3',5,5'-tetramethylbenzidine，TMB)等呈色劑置入樣本裝載區L中，使呈色劑與過氧化氫酶反應產生大量沉澱而放大反應訊號。
由圖可知，經過上述訊號放大反應後，不論比較例一或實施例一之檢測裝置，皆會在光譜圖上發生傾向位移，且相較於低濃度的生物素-小牛血清蛋白，高濃度的生物素-小牛血清蛋白經過放大反應後，檢測裝置所測得的訊號會有更高的傾向位移；另外，在經過訊號放大後，相較比較例一之檢測裝置，實施例一之檢測裝置可測得更高的傾向位移，此表示實施例一之檢測裝置較比較例一更為靈敏。
圖6為不同濃度生物素-小牛血清蛋白，經過實施例一及比較例一之檢測裝置檢測後，所顯示之表面電漿子共振反應的傾向位移。由圖6可知，實施例一之檢測裝置的表面電漿子共振反應較比較例一高，此表示實施例一之檢測裝置可適用於檢測較低濃度生物性分子。
從上述實驗結果得知，在結構上多孔性濾膜搭配吸收墊材產生毛細作用力，如此便構成微流道，可使待測樣本溶液在其中流動，此整體結構簡單且容易操作。此外，針對去離子水、酒精、不同濃度的甘油進行測試，相較於傳統光纖偵測系統，本發明檢測裝置具有更好的重覆性及穩定性，同時也成功驗證在生物素-牛血清白蛋白的生物檢測可以提升靈敏度，同時檢測過程中所使用的試劑量少且不具殘留性。
綜上所述，本發明使用側拋型光纖感測元件做為檢測裝置中的光學感測元件，且使用硝酸纖維素濾膜做為多孔性滲透膜元件，因此在本發明檢測裝置中，藉由吸收墊材的導引，在硝酸纖維素濾膜之樣本分子具有可流動性、不相混合性、及不具殘留性等特性，且本發明檢測裝置可適用於檢測較低濃度生物性分子，同時可大幅提升生物檢測系統應用於即時性就地快速篩選之可行性與便利性。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
10‧‧‧吸收墊材元件
11‧‧‧多孔性滲透膜元件
111‧‧‧第一端
112‧‧‧第二端
12‧‧‧光學檢測元件
13‧‧‧底板
130‧‧‧開口
131‧‧‧第一表面
132‧‧‧第二表面
14‧‧‧樣本墊
21‧‧‧玻璃皿
S‧‧‧檢測區
L‧‧‧樣本裝載區
圖1a係本發明實施例一中生物微流道檢測裝置的結構示意圖。
圖1b係本發明實施例二中生物微流道檢測裝置的結構示意圖。
圖2係本發明測試例一中流動性測試之光譜圖。
圖3係本發明測試例二中相混合性測試之光譜圖。
圖4係本發明測試例三中殘留性測試之光譜圖。
圖5係本發明測試例四中生物素-小牛血清蛋白測試之光譜圖，其中圖5a及5b為使用比較例一之檢測裝置，分別針對0.5μg/mL及7.5μg/mL之生物素-小牛血清蛋白進行檢測；圖5c及5d為使用實施例一之檢測裝置，分別針對0.5μg/mL及7.5μg/mL之生物素-小牛血清蛋白進行檢測。
圖6係本發明測試例四中濃度-傾向位移之曲線圖。
圖7係本發明比較例一之檢測裝置的結構示意圖。
10．．．吸收墊材元件
11．．．多孔性滲透膜元件
111．．．第一端
112．．．第二端
12．．．光學檢測元件
13．．．底板
130．．．開口
131．．．第一表面
132．．．第二表面
14．．．樣本墊
L．．．樣本裝載區
S．．．檢測區

Claims (8)

  1. 一種生物微流道檢測裝置，包括：一多孔性滲透膜元件，具有一第一端及一相對之第二端，該第一端具有一樣本裝載區，以容納樣本分子，其中，該多孔性滲透膜元件為一硝酸纖維素膜；一吸收墊材元件，連接該多孔性滲透膜元件之該第二端，以導引該樣本分子自該多孔性滲透膜元件的該樣本裝載區往該第二端移動；一光學檢測元件，具有一檢測區，該檢測區面對該多孔性滲透膜元件，以檢測其中之該樣本分子；一底板，其具有一開口、一第一表面以及一相對之第二表面，其中該吸收墊材元件及該多孔性滲透膜元件係配置於該底板之該第一表面，且該多孔性滲透膜元件之該樣本裝載區係對應該底板之該開口；以及一樣本墊，配置於該底板之該第二表面，且經由該底板之該開口與該多孔性滲透膜元件之該樣本裝載區連接。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生物微流道檢測裝置，其中，該光學檢測元件係光纖感測元件。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之生物微流道檢測裝置，其中，該光纖感測元件與該多孔性滲透膜元件交錯配置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之生物微流道檢測裝置，其中，該樣本分子係選自由核酸、醣類、蛋白質、 脂類、磷脂、糖脂、固醇、維生素、激素、胺基酸、核苷酸、胜肽所組群組其中一者。
  5. 一種分子檢測方法，包括以下步驟：提供一生物微流道檢測裝置，該生物微流道檢測裝置包括：一多孔性滲透膜元件，具有一第一端及一相對之第二端，該第一端具有一樣本裝載區，以容納樣本分子，其中，該多孔性滲透膜元件為一硝酸纖維素膜；一吸收墊材元件，連接該多孔性滲透膜元件之該第二端，以導引該樣本分子自該多孔性滲透膜元件的該樣本裝載區往該第二端移動；一光學檢測元件，具有一檢測區，該檢測區面對該多孔性滲透膜元件，以檢測其中之該樣本分子；一底板，其具有一開口、一第一表面以及一相對之第二表面，其中該吸收墊材元件及該多孔性滲透膜元件係配置於該底板之該第一表面，且該多孔性滲透膜元件之該樣本裝載區係對應該底板之該開口；以及一樣本墊，配置於該底板之該第二表面，且經由該底板之該開口與該多孔性滲透膜元件之該樣本裝載區連接；將一樣本分子裝載於該多孔性滲透膜元件之該樣本裝載區，使該樣本分子自該多孔性滲透膜元件之該第一端往該第二端移動；以及由該光學檢測元件輸出之訊號鑑定該樣本分子。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之分子檢測方法，其中，該樣本分子係選自由核酸、醣類、蛋白質、脂類、磷脂、 糖脂、固醇、維生素、激素、胺基酸、核苷酸、胜肽所組群組其中一者。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之分子檢測方法，其中，該光學檢測元件係光纖感測元件。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之分子檢測方法，其中，該光纖感測元件與該多孔性滲透膜元件交錯配置。
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