TWI448678B - 液體樣本之帶電粒子的分離方法及裝置與該裝置的製作方法 - Google Patents

液體樣本之帶電粒子的分離方法及裝置與該裝置的製作方法 Download PDF

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Description

液體樣本之帶電粒子的分離方法及裝置與該裝置的製作方法
本發明係關於一種分離方法及裝置，特別關於一種液體樣本之帶電粒子的分離方法及裝置。
血漿是一種能夠提供許多生理或臨床資訊的重要生物檢體，使醫療人員或檢驗單位迅速地瞭解個體的身體狀態。另外，以血漿作為檢體還具有能有效反應出特定時間點之生理狀況的優點。
然而，為達上述目的，在臨床上有多種血液檢測項目皆須利用自全血中分離的血漿方能進行，如：血液凝固檢測以及血液細胞性或非細胞性免疫性作用測試，其基礎均在於優秀的血漿分離技術。因此，過往已有許多針對上述需求進行的研發，以企圖提供一分離效果佳且速度快的方法，以自全血中分離出血漿。
然而，傳統的血漿分離必須在實驗室中進行，一般需使用離心法才可完成。離心法主要是將全血貯存至含有抗凝血劑的試管內，再使用離心機高速旋轉產生離心力的原理，將試管內比重不同的物質給分離出來，達到將血球與血漿分離的目的。然，離心機體積龐大，且樣本的前處理程序與儀器待機及清洗亦十分耗時，再考量樣本從現場遞送到實驗室也必須花費額外的時間，對於亟需在第一時間得知檢測結果的醫護人員而言，使用上相當不便。另，醫院或實驗室內的離心機必須一次分離大量的血液，但由於大多數的檢測只需少量的血漿樣本即可得知結果，過量的樣本反而會造成回收或污染的問題。又，離心機等設備的操作必需事先培養專業技術人員，如此必然增加成本支出。
近年來，生醫檢測裝置的技術更大幅進步，尤其是在晶片設計方面。這些新興工具取代了原本體積龐大之舊式檢測儀器，提供較佳的應用性及操作性。近期利用微流體式晶片進行血漿分離主要可分為幾類：利用電泳(Electrophoresis)或介電泳(Dielectrophoresis)技術、濾網或障礙物過濾(Filter)或改變流道幾何形狀等等。
以優缺點來說，利用電泳或介電泳的分離方式雖操作簡易，然其需在高電壓下進行操作，且在微流道的製作或濾網的安裝上都不容易。而改變流道幾何形狀的方法必須使用微幫浦驅動樣本，往往樣本會因為與微幫浦接觸而導致質變。又，過去在以外力推動樣本於晶片流道內運動時，不論從早期的人力按壓注射器，到近期利用外加式幫浦，其使用外加元件的先天限制，會侷限晶片體積的輕薄化，同時也提高製作成本及複雜度。
因此，如何提供一種操作簡單，無須外力驅動，且能有效率地自全血中分離出血漿的裝置，進而使血漿分離具有即時性與簡便性，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種操作簡單，無須外力驅動，且能有效率地自液體樣本中分離帶電粒子，取得所需部分的技術，以及利用此技術的裝置及其製造方法，進而當應用本發明於全血分離收集血漿時，具有更佳的即時性與簡便性。
為達上述目的，依據本發明之一種液體樣本之帶電粒子的分離方法包括以下步驟：驅動一液體樣本流動，液體樣本含有複數帶電粒子；透過二電極於相對液體樣本流動之一方向形成一不均勻電場；以及液體樣本流經不均勻電場時不與二電極接觸，帶電粒子受到不均勻電場作用而凝聚，從而與液體樣本分離。較佳地，液體樣本係為血液樣本，且帶電粒子係為血球。
在一實施例中，液體樣本係於一流道內流動，且係受到流道之毛細力驅動。
在一實施例中，不均勻電場係由二電極形成，且二電極於彼此相對之一側具有大小不同的表面積。
在一實施例中，液體樣本係於一流道內流動，且流道夾設於二電極之間。
在一實施例中，帶電粒子之質量密度大於液體樣本之密度，且帶電粒子受到不均勻電場與一重力作用而與液體樣本分離。
為達上述目的，依據本發明之一種液體樣本之帶電粒子的分離裝置，其包含一基板層、一中間層、一上蓋層及二電極。中間層設置於基板層。上蓋層設置於中間層，且基板層、中間層、及上蓋層共同界定出一流道。二電極，分別且對應地設置於上蓋層及基板層，二電極不與液體樣本接觸。其中，分離裝置係為電容式或電阻抗式分離晶片，液體樣本係為血液樣本，且帶電粒子係為血球。
在一實施例中，基板層及/或上蓋層之材質包括玻璃、氧化銦錫、氧化矽、或矽晶。
在一實施例中，中間層之材質包括光學膠或光阻材料。
在一實施例中，上蓋層具有連通流道之一開口及一出口，且流道於接近開口之一端具有較大之內徑。
在一實施例中，流道具有至少一轉向部，且轉向部具有弧形、髮夾形、或馬蹄形。
在一實施例中，二電極其中之一設置於上蓋層之上，而其中另一設置於基板層之下。
在一實施例中，二電極於彼此相對之一側具有大小不同的表面積，而形成一不均勻電場。
在一實施例中，電極其中之一之形狀尺寸係與流道相同，而其中另一之形狀尺寸則與基板層相同。
為達上述目的，依據本發明之一種如前所述之分離裝置的製造方法，包含以下步驟：於一上蓋層上形成一開口以及一出口；於上蓋層及一基板層分別形成一電極；設置一光學膠或一光阻材料於基板層，以形成一中間層；加工中間層；以及結合上蓋層、中間層以及基板層，以共同界定一流道，流道不與電極接觸。
在一實施例中，電極之形成包括設置一耐熱材料或另一光阻材料於上蓋層及基板層，定義電極之圖案，以及鍍膜之程序。其中，圖案之定義包括雷射加工或微影製程之程序。
在一實施例中，中間層之加工係形成流道之一部，且包括雷射加工、微影製程或機械加工之程序。
在一實施例中，上蓋層、中間層以及基板層之結合包括低溫接合之程序。
綜上所述，依據本發明之液體樣本之帶電粒子的分離方法係使液體樣本通過一不均勻電場，且該電場的設置方向係相對於樣本的流動方向，較佳係為電場的設置方向垂直於樣本的流動方向。透過不均勻電場的作用，使液體樣本中的帶電粒子產生凝聚作用，進而自液體樣本中被分離出來，當然，藉由上述技術，使用者可以收集被分離的帶電粒子，亦可收集分離後的液體樣本。
就本發明之分離裝置而論，其透過基板層、中間層及上蓋層共同界定出的一流道，以供液體樣本輸入，並於引導流動的同時，利用例如分別對應設置之尺寸大小不同的二電極，形成不均勻電場，以對流經的液體樣本進行作用，使其中的帶電粒子產生凝聚作用進而減慢流速。如同上述，本分離裝置結構簡單，且僅需通入液體樣本以及形成電場幾個簡單的步驟，顯而易見地具有操作簡單、分離快速的功效。
與習知技術相較，本發明之分離方法及裝置與其製造方法適合用於全血分離收集血漿，蓋為利用不均勻電場使帶電荷的血球凝聚，從而與血漿產生流速差，而達成分離的目的。尤其是當使用親水性物質作為基板層與上蓋層之材料，更可達到無須藉由外力即可自驅動待測樣本的效果，不僅免除幫浦的需求，有效縮減裝置體積及製造成本，更有即用隨拋，降低樣本質變與污染可能性，又無須清洗及特殊前置處理等多項優點。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之液體樣本之帶電粒子的分離方法及裝置與其製造方法，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
為使分離方法各步驟的實施細節更為清楚明瞭，以下將配合分離裝置並以液體樣本為全血(whole blood)為例，先清楚介紹該分離裝置之結構與組成，進而以此為基礎，說明如何於該分離裝置上實施分離方法。然而，特別需要提出的是，以下所舉實施例中的內容僅係為方便說明使用，並非用以限制本發明。
圖1為本發明較佳實施例之一種液體樣本之帶電粒子的分離裝置的分解示意圖，圖2A為圖1所示之分離裝置的組合外觀示意圖，圖2B為圖2A所示之分離裝置的透視示意圖。如圖1至圖2B所示，在本實施例中，分離裝置1由上往下依序包含一電極14、一上蓋層11、一中間層12、一基板層13以及另一電極15，其中，基板層13、中間層12及上蓋層11共同界定出一流道CH。然上述結構及其相對位置關係非限制性者，在其他實施例中，分離裝置1之此些結構亦可改變設置的順序關係，或可在該些結構之間或外部更包含其他結構，本發明在此不限。
上蓋層11穿設有連通流道CH之一開口111及一出口112，以分別供血液或其他液體樣本注入及排出。開口111及出口112可依需求而有不同的尺寸及形狀，本發明在此不限，但較佳係均為圓形，且開口111之內徑為約11 mm，而出口112之內徑則為約2 mm。上述上蓋層11之該些結構可以透過水輔助雷射加工的方式形成。
在本實施例中，中間層12之材質包括光學膠或光阻材料，較佳係為光學透明薄膜雙面膠材料或JSR光阻材料，然此非限制性者。中間層12選用該些材質可進一步提高流道CH之毛細力，有助於提高液體樣本的輸送效率，使得分離裝置1得以免除使用外加裝置驅動樣本流動。另外，更因光阻材料在較低溫度下便可實施熱接合，故當固定中間層12於玻璃材料之上蓋層11或基板層13時，得以使製程簡單化並增進效率。
中間層12之部分上下貫穿，而形成有一連續往復且彎折延伸之通道結構121，在與基板層13及上蓋層11結合後，該通道結構121可因上下封閉而形成只有在特定位置能加入或排出液體樣本的流道CH。
請參考圖1所示，通道結構121於對應開口111之位置具有一注入孔122，當其與基板層13組合後，因為底部封閉，而形成血液由開口111注入後的容槽，可增加一次注入的樣本量，並調節血液樣本注入量與進入流道量之間的差距，提升操作便利性。
至於，中間層12之上述結構的加工形成，可先透過黏固的手段，設置一光學膠或一光阻材料於基板層13頂面，再透過水輔助雷射加工方式加工出通道結構121與注入孔122，然此非限制性者。其中，中間層12的材質較佳可採用具親水性之光學透明薄膜雙面膠材料或JSR光阻材料。而加工製作的方法除雷射外，還包括微影製程或機械加工等方式，本發明在此不限。
電極14與電極15分別且對應地設置於上蓋層11及基板層13。詳而言之，如圖1所示，電極14設置於上蓋層11之上，而電極15設置於基板層13之下，而流道CH可夾設於該電極14與電極15之間。於本實施例中，電極14之形狀尺寸係與該流道CH相同，而電極15之形狀尺寸則與基板層13相同，然非限制性者。如圖所示，此二電極14、15藉由彼此相對之一側具有大小不同之表面積、形狀，以能形成一不均勻電場。
是以，電極14與電極15之關係為上下對應但不接觸，更不與流道CH中血液樣本直接接觸，可減少檢測過程中血液樣本質變的風險。於本實驗例中，電極14具有一接觸部141及一本體部142，其中，接觸部141與外接電源連接，以供應運作所需電能；而本體部142則實質上與另一電極15配合，使流道CH能處於不均勻電場之中，且該電場方向與流道中血液樣本流動方向係為互相垂直，藉以使電力以及流力能同時但方向不同地作用在帶電荷的血球細胞上。需特別說明的是，於本實施例中，電極14之本體部142與通道結構121具有相同的形狀，亦即與流道CH具有相同之形狀；而另一電極15則為長方形平板狀，其周緣的任一位置均可作為外接電源的接觸部，然此非限制性者。
本發明並不限電極14、15的製作方法，其可以設置一耐熱材料或一光阻材料於上蓋層11及基板層13，並利用雷射加工或黃光微影製程於上蓋層11與基板層13上定義電極圖案後，再分別或共同鍍膜而完成。其中，光阻材料可以與中間層12所使用的光阻材料相同或不同。
請參考圖2B所示，上蓋層11、中間層12、基板層13以及電極14、15疊接固定後可形成分離裝置1，進一步而言，分離裝置1係為一種電容式或電阻抗式的分離裝置。由於中間層12可為光學透明薄膜雙面膠帶或光阻材料，其本身即具有黏性，因此可在低溫度製作中進行熱接合。此時基板層13、上蓋層11及中間層12會共同界定出一連續彎折延伸之流道CH，分別連通流道CH兩相反端之開口111及出口112。
圖3A為本發明較佳實施例之分離裝置於電極通電前的流道中血液樣本分離影像，而圖3B為圖3A之分離裝置於電極通電後的血液樣本分離影像。請同時比較圖3A及圖3B，並參考圖2B所示，在本實施例中，當未通電前，流道CH中的全血血液樣本呈現血球BC與血漿P混合而無分離的狀態。當電極14、15外接電源而通電後，因為二電極14、15之形狀尺寸均不相同的關係，可使流道CH處在不均勻的電場下。故全血血液樣本流經此不均勻電場時，血球BC因帶有電荷，受到電場影響後會開始凝聚。其中，由於血球BC(即帶電粒子)之質量密度大於血漿P(即液體樣本之其他部分)之密度，故當聚集至一定程度後，因為重力作用的強化，產生自然的沉降現象，造成流動趨緩，甚至停滯，從而因為流速差異而與血漿P分離。其中，上述所稱之血球BC包括紅血球、各種白血球及/或血小板。
圖4A為圖1所示之中間層的俯視示意圖，而圖4B為圖4A所示之中間層的變化態樣示意圖。請先參考圖1及圖4A所示，通道結構121於接近開口111之一端具有較大之內徑。具體而言，通道結構121在注入孔122端之內徑因接近注入孔122而逐漸擴大，故概略呈喇叭狀或錐形(圖中標示區域CP)，且未端還有一延續喇叭狀或錐形的延長(圖中標示區域EP)。如此，可強化避免血液樣本注入時溢出的功效，另外，更可加強毛細力，以驅動血液樣本自行流動。此外，此一喇叭狀或錐形設計還可降低流阻，有利於血液樣本流動。又，通道結構121之轉向部126具有弧形、髮夾形、馬蹄形或其他相似者，可更進一步降低流阻。
當然，通道結構除上述形式外，本發明之通道結構還可有多種變化態樣，以下舉例說明之。請參考圖4B，其所示之中間層12’與前述實施例之中間層12比較的差異在於，通道結構121’在注入孔122’端之內徑實質上一致，而概略為直條狀(圖中標示區域SP)，而非圖4A中呈現之喇叭狀。再者，此通道結構121’之轉向部126’為直角設計，相較之下，圖4B之實施態樣雖沒有喇叭狀或錐形及其末端延長，且轉向部126’亦無法使血液樣本流動順暢，但製作簡單，成本便宜，故仍有應用價值。
上述實施例中雖以液體樣本為血液或全血樣本為例說明之，但在其他實施例中，液體樣本可係為任何含有懸浮微粒、顆粒或其他小型固體物質的可流動物質樣本，且該些懸浮微粒、顆粒或固體物質帶有電荷，本發明在此不限。
圖5為依據本發明較佳實施例之一種液體樣本之帶電粒子的分離方法的步驟流程圖。請參考圖5所示，在本實施例中，液體樣本之帶電粒子的分離方法包含以下步驟：驅動一液體樣本流動，液體樣本含有複數帶電粒子(S51)；透過二電極於相對液體樣本流動之一方向形成一不均勻電場(S53)；以及液體樣本流經不均勻電場時不與電極接觸，帶電粒子受到不均勻電場作用而凝聚，從而與液體樣本分離(S55)。惟上述使用到之元件的結構特徵，以及方法的原理與步驟細節均已揭露於上，於此不再贅述，以下僅為強化本發明之方離方法的概念，再次搭配圖2A所示之分離裝置說明之。
依據本發明之分離方法於實際操作時，可將包含有帶電粒子之液體樣本自開口111注入，使液體樣本於流道CH內利用毛細力以自驅流動，當帶電粒子於流道CH內流經由電極14及電極15所形成之不均勻電場時，帶電粒子會因為其本身帶電荷性質之影響發生凝聚，並在凝聚過程中造成重力及/或流體阻力等其他物理作用力因為體積、重量增加而增加，導致帶電粒子的集合流速逐漸趨緩，最後與液體樣本分離。
圖6為依據本發明較佳實施例之一種液體樣本之帶電粒子的分離裝置的製造方法步驟流程圖。請參考圖6所示，在本實施例中，液體樣本之帶電粒子的分離裝置的製造方法包含以下步驟：於一上蓋層上形成一開口以及一出口(S61)；於上蓋層及一基板層分別形成一電極(S63)；設置一光學膠或一光阻材料於基板層，以形成一中間層(S65)；加工中間層(S67)；以及結合上蓋層、中間層以及基板層，以共同界定一流道，流道不與電極接觸(S69)。其中，電極之形成包括設置一耐熱材料或另一光阻材料於上蓋層及基板層，定義電極之圖案，以及鍍膜之程序，較佳地，圖案之定義包括雷射加工或微影製程之程序。另外，中間層之加工係形成流道之一部份，且包括雷射加工、微影製程或機械加工之程序。又，上蓋層、中間層以及基板層之結合包括低溫接合之程序。惟上述液體樣本之帶電粒子的分離裝置之各元件及製造方法之各步驟已於前述實施例中詳細說明，於此不再贅述。
承上所述，依據本發明之液體樣本之帶電粒子的分離方法係使液體樣本通過一不均勻電場，且該電場的設置方向係相對於樣本的流動方向，較佳係為電場的設置方向垂直於樣本的流動方向。透過不均勻電場的作用，使液體樣本中的帶電粒子產生凝聚作用，進而自液體樣本中被分離出來，當然，藉由上述技術，使用者可以收集被分離的帶電粒子，亦可收集分離後的液體樣本。
就本發明之分離裝置而論，其透過基板層、中間層及上蓋層共同界定出的一流道，以供液體樣本輸入，並於引導流動的同時，利用例如分別對應設置之尺寸大小不同的二電極，形成不均勻電場，以對流經的液體樣本進行作用，使其中的帶電粒子產生凝聚作用進而減慢流速。如同上述，本分離裝置結構簡單，且僅需通入液體樣本以及形成電場幾個簡單的步驟，顯而易見地具有操作簡單、分離快速的功效。
與習知技術相較，本發明之分離方法及裝置與其製造方法適合用於全血分離收集血漿，蓋為利用不均勻電場使帶電荷的血球凝聚，從而與血漿產生流速差，而達成分離的目的。尤其是當使用親水性物質作為基板層與上蓋層之材料，更可達到無須藉由外力即可自驅動待測樣本的效果，不僅免除幫浦的需求，有效縮減裝置體積及製造成本，更有即用隨拋，降低樣本質變與污染可能性，又無須清洗及特殊前置處理等多項優點。
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．．．分離裝置
11．．．上蓋層
111．．．開口
112．．．出口
12、12’．．．中間層
121、121’．．．通道結構
122、122’．．．注入孔
126、126’．．．轉向部
13．．．基板層
14、15．．．電極
141．．．接觸部
142．．．本體部
BC．．．血球
CP、EP、SP．．．區域
CH．．．流道
P．．．血漿
S51～S55、S61～S69．．．步驟
圖1為本發明較佳實施例之一種液體樣本之帶電粒子的分離裝置的分解示意圖；
圖2A為圖1所示的分離裝置的組合外觀示意圖；
圖2B為圖1所示的分離裝置的透視示意圖；
圖3A為本發明較佳實施例之分離裝置於電極通電前的流道中血液樣本分離影像；
圖3B為圖3A之分離裝置於電極通電後的血液樣本分離影像；
圖4A及圖4B為圖1所示的分離裝置的中間層及其不同態樣的上視圖；
圖5為本發明較佳實施例之一種液體樣本之帶電粒子的分離方法的步驟流程圖；以及
圖6為本發明較佳實施例之一種液體樣本之帶電粒子的分離裝置之製造方法步驟流程圖。
S51～S55．．．步驟

Claims (15)

  1. 一種液體樣本之帶電粒子的分離方法，包含以下步驟：驅動一液體樣本於一流道中流動，該液體樣本含有複數帶電粒子；透過一第一電極及一第二電極於相對該液體樣本流動之一方向形成一不均勻電場，該流道夾設於該第一電極與該第二電極之間，該第一電極之形狀係與該流道相同並沿該流道設置，且該第一電極及該第二電極於彼此相對之一側具有不同的表面積；以及該液體樣本流經該不均勻電場時不與該第一電極及該第二電極接觸，該些帶電粒子受到該不均勻電場作用而凝聚，從而與該液體樣本分離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之分離方法，其中該液體樣本係為血液樣本，且該些帶電粒子係為血球。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之分離方法，其中該液體樣本係受到該流道之毛細力驅動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之分離方法，其中該些帶電粒子之質量密度大於該液體樣本之密度，且該些帶電粒子受到該不均勻電場與一重力作用而與該液體樣本分離。
  5. 一種液體樣本之帶電粒子的分離裝置，包含：一基板層；一中間層，設置於該基板層；一上蓋層，設置於該中間層，且該基板層、該中間層、 及該上蓋層共同界定出一流道；以及一第一電極及一第二電極，分別且對應地設置於該上蓋層及該基板層，且該第一電極設置於該上蓋層之上，而該第二電極設置於該基板層之下，該第一電極及該第二電極於彼此相對之一側具有大小不同的表面積，而形成一不均勻電場，該第一電極之形狀尺寸係與該流道相同，而該第二電極之形狀尺寸則與該基板層相同，該第一電極及該第二電極不與該液體樣本接觸。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之分離裝置，其中該分離裝置係為電容式或電阻抗式分離晶片，該液體樣本係為血液樣本，且該帶電粒子係為血球。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之分離裝置，其中該基板層及該上蓋層之材質包括玻璃、氧化銦錫、氧化矽、或矽晶。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之分離裝置，其中該中間層之材質包括光學膠或光阻材料。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之分離裝置，其中該上蓋層具有連通該流道之一開口及一出口，且該流道於接近該開口之一端具有較大之內徑。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之分離裝置，其中該流道具有至少一轉向部，且該轉向部具有弧形、髮夾形、或馬蹄形之形狀。
  11. 一種如申請專利範圍第5項至第10項任一項所述之 分離裝置的製造方法，包含以下步驟：於一上蓋層上形成一開口以及一出口；於該上蓋層及一基板層分別形成一第一電極及一第二電極；設置一光學膠或一光阻材料於該基板層，以形成一中間層；加工該中間層；以及結合該上蓋層、該中間層以及該基板層，以共同界定一流道，該流道不與該第一電極及該第二電極接觸。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該第一電極及該第二電極之形成包括設置一耐熱材料或另一光阻材料於該上蓋層及該基板層，定義該些電極之圖案，以及鍍膜之程序。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該些圖案之定義包括雷射加工或微影製程之程序。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該中間層之加工係形成該流道之一部，且包括雷射加工、微影製程或機械加工之程序。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中該上蓋層、該中間層以及該基板層之結合包括低溫接合之程序。
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