TWI472756B - A biochip device and a method of separating and concentrating particles in a fluid - Google Patents

Description

生物晶片裝置及分離並濃縮一流體中的微粒的方法

本發明是有關於一種晶片裝置，特別是指一種生物晶片裝置(bio-chip device)，及分離並濃縮一流體中的微粒的方法。

有別於傳統之偵測微生物物種(microorganism species)的方法，其需要專門的技術人員操作，例如，DNA粹取(DNA extraction)、核酸檢測(nucleic acid detection)、螢光標定(fluorescent labeling)，甚或是生化分析(biochemistry analysis)等。由於透過拉曼光譜(Raman spectrum)進行微生物物種的檢測技術，可直接經由與參考光譜比對一樣本之分光光譜來鑑定出微生物物種。因此，拉曼光譜法已成為一種用於量測微生物物種之普及技術。

在拉曼光譜被運用於偵測微生物物種的初期，其需要一細菌濃度大於10¹² CFU/ml的一目標微生物(target microorganism)來產生一足以被偵測到的訊號強度。然而，縱算是細菌濃度大於10¹² CFU/ml，其所顯示之分光光譜的特徵訊號鋒並非十分顯著。又，為取得一目標微生物之分光指紋特徵，執行拉曼光譜鑑定技術則需要進一步的樣本 淨化程序。

後續，則有相關報導顯示，採用一具有一粗糙表面的基板來捕捉目標微生物於該粗糙表面上以獲得表面增顯拉曼光譜(surface-enhanced Raman spectroscopic，SERS)。然而，前述報導所採用的方法，仍然無法檢測未經淨化的樣本。

此外，自一經淨化樣本溶液中的液滴來產生環形色斑[也就是俗稱的咖啡環(coffee ring)]，以進行拉曼光譜檢測，則是目前用於在該經淨化樣本中濃縮一目標微生物所常見的方法。該液滴中的目標微生物是基於其承受有表面張力與內聚力，以致於當該樣本液滴在乾燥時是被濃縮在該環形色斑。然而，此種傳統的濃縮方法仍然無法運用於檢測未經淨化的樣本。

由上述幾種方法的說明可知，執行拉曼光譜檢測的主要障礙在於，其需要一經淨化的樣本來取代一實際樣品(如含有各種非目標物質的人體血液)，前述非目標物質例如有血球、蛋白質…等。由於該非目標物質同樣也能產生分光指紋；因此，此非目標物質的分光指紋將干擾到目標微生物的分光指紋。此外，產生環形色斑所需耗費的乾燥時間較久，舉例來說，若樣本的體積大於10μl，那麼，所需耗費的乾燥時間則約為半小時，缺乏時間上的經濟效益。

近期，則揭示有一種採用化學/抗體修飾(chemical/antibody-modified)之銀/陽極氧化鋁(anodic aluminum oxide，AAO)基板以捕捉目標微生物的方法。該銀/陽極氧化鋁基板上是修飾有用以自細菌-血球(bacteria-blood cells)之混合物(即，混合的實際樣本)中捕捉細菌的萬古黴(Vancomycin)，並從而提升了表面增顯拉曼光譜(SERS)的訊號。然而，此種方法在使目標細菌結合至該銀/陽極氧化鋁基板上的萬古黴所需耗費的時間需數個小時之久；此外，並非所有細菌都能與萬古黴作用。

彙整上述各種微生物檢測技術與目標微生物的濃縮方法等說明，申請人認為，採用一有能力自一實際樣本(如，混合樣本)中分離且濃縮出目標微粒的生物晶片(bio-chip)，並結合拉曼光譜的檢測技術，才是微生物物種檢測的正確途徑。然而，中華民國第100110372申請號、第098123205申請號、第099100678申請號與第095139596申請號等專利案中所公開的方法或晶片，則存在有微生物濃度的要求高(10⁶ CFU/ml to 10⁷ CFU/ml)、偵測面積小、目標微生物需經淨化與目標微生物選擇性低等缺失。

經上述說明可知，如何快速且正確地自該實際樣本中分離且濃縮目標微生物於特定區域，以供操作者進行拉曼光譜檢測，是此技術領域的相關技術人員所待突破的難題。

因此，本發明之目的，即在提供一種可快速且正確地自流體中(實際樣本中)分離且濃縮目標微粒(目標微生物)於特定區域，以供操作者進行拉曼光譜檢測的生物晶 片裝置。

本發明之另一目的，即在提供一種分離並濃縮一流體中的微粒的方法。

於是，本發明生物晶片裝置，適用於分離並濃縮一流體中的微粒，該生物晶片裝置包含：一個晶片本體、一個第一電極、一個第二電極，及一個電力源。該晶片本體界定出一容置該流體的空間。該第一電極設置於該晶片本體的空間，並具有一暴露於該空間中的表面、一個中心部及至少一個延伸部，該第一電極的延伸部是自其中心部朝外延伸。該第二電極設置於該晶片本體的空間並間隔地位於該第一電極的上方及下方其中一者。該第二電極具有一面向該第一電極之表面的表面，該第二電極的表面面積是大於該第一電極的表面面積，且該第一電極的表面的一輪廓範圍是被該第二電極的表面的一輪廓範圍所包圍。該電力源電連接於該第一電極與該第二電極，該電力源能對該第一電極與該第二電極提供一介於2Vpp至15Vpp間的交流電壓，並複合一介於0.05V至2V間的直流偏壓，以於該第一電極與該第二電極間產生一介於10³ V/m至10⁸ V/m間的非均勻的交流電場(non-uniform AC electric field)，從而於該流體內產生一電流體動力(electrohydrodynamics force，EHD)，並使該流體內的微粒承受一介電泳力(dielectrophoresis，DEP)。

較佳地，該第二電極是間隔地位於該第一電極的上方。

較佳地，該第一電極的表面與該第二電極的表面間具有一最短距離D，且D≦1mm。

較佳地，該第一電極的中心部是一選自下列所構成之群組的形狀：圓形、橢圓形、正方形、長方形、菱形、T字形、三角形、十字形，及正多邊形。

較佳地，該第一電極具有多數個延伸部，該第一電極的該等延伸部是彼此間隔地分別自其中心部朝外延伸，該第一電極的每兩相鄰延伸部共同定義出一預定夾角，且該第一電極的該等預定夾角是實質相等。

較佳地，該第一電極的中心部是一具有一直徑φ的圓形箔片，且φ是介於1μm至1000μm間；該第一電極的各延伸部沿一實質垂直於其延伸部的一軸線的方向分別具有一寬度We，且We是介於1μm至200μm間。

較佳地，本發明之生物晶片裝置還包含一個輔助電極。該輔助電極是設置於該晶片本體的空間，該輔助電極具有一面向該第二電極之表面的表面，該輔助電極之表面的一輪廓範圍是被第二電極之表面的輪廓範圍所包圍，且該輔助電極之表面與該第一電極之表面是實質等高。該輔助電極具有一個中心部及多數個延伸部，該輔助電極的中心部是間隔地圍繞於該第一電極的中心部外，該輔助電極的該等延伸部是彼此間隔地分別自其中心部朝外延伸，該輔助電極之每兩相鄰延伸部共同定義出一預定夾角，且該輔助電極的該等預定夾角是實質相等。

較佳地，該第一電極的中心部是一具有一直徑φ 的圓形箔片，且φ是介於1μm至1000μm間；該輔助電極的中心部沿該第一電極的中心部的一徑向具有一寬度Wi，該輔助電極的各延伸部沿一實質垂直於其延伸部的一軸線的方向分別具有一寬度We，φ/Wi≧2.828，且We是介於1μm至200μm間。

較佳地，該電力源還電連接於該輔助電極，該電力源能對該第一電極、該第二電極與該輔助電極提供該交流電壓並複合該直流偏壓，以於該第一電極與該第二電極間，且於該第一電極與該輔助電極間產生該介於10³ V/m至10⁸ V/m間的非均勻的交流電場，從而於該流體內產生該電流體動力(，EHD)並使該流體內的微粒承受該介電泳力(DEP)。

又，本發明分離並濃縮一流體中的微粒的方法，其包含以下步驟：一步驟(a)、一步驟(b)、一步驟(c)，及一步驟(d)。

步驟(a)：提供一含有多數第一微粒與多數第二微粒的流體，該等第二微粒的平均粒徑是小於該等第一微粒的平均粒徑。

步驟(b)：提供一生物晶片裝置，該生物晶片裝置包括：一個晶片本體、一個第一電極、一個第二電極，及一個電力源。該晶片本體界定出一空間。該第一電極設置於該晶片本體的空間，並具有一暴露於該空間中的表面、一個中心部及至少一個延伸部，該第一電極的延伸部是自其中心部朝外延伸。該第二電極設置於該晶片本體的 空間並間隔地位於該第一電極的上方及下方其中一者，該第二電極具有一面向該第一電極之表面的表面，該第二電極的表面面積是大於該第一電極的表面面積，且該第一電極的表面的一輪廓範圍是被該第二電極的表面的一輪廓範圍所包圍。該電力源電連接於該第一電極與該第二電極。

步驟(c)：於該晶片本體的空間中放置該流體。

步驟(d)：經該生物晶片裝置的電力源對該第一電極與第二電極提供一介於2Vpp至15Vpp間的交流電壓，並複合一介於0.05V至2V間的直流偏壓，以於該第一電極與該第二電極間產生一介於10³ V/m至10⁸ V/m間的非均勻的交流電場，從而於該流體內產生一電流體動力(EHD)，以致於每一第一微粒是承受一大於該電流體動力(EHD)的第一介電泳力(DEP)，且每一第二微粒是承受一小於該電流體動力(EHD)的第二介電泳力。

本發明之功效在於，可快速且正確地自流體中(實際樣本中)分離且濃縮目標微粒(目標微生物)於特定區域，以供操作者進行拉曼光譜檢測。

2‧‧‧晶片本體

20‧‧‧空間

3‧‧‧第一電極

30‧‧‧表面

31‧‧‧中心部

32‧‧‧延伸部

4‧‧‧第二電極

40‧‧‧表面

5‧‧‧電力源

6‧‧‧輔助電極

60‧‧‧表面

61‧‧‧中心部

62‧‧‧延伸部

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一剖視圖，說明本發明生物晶片裝置的一第一較佳實施例；圖2是一俯視示意圖，說明本發明該第一較佳實施例之一第一電極的細部結構； 圖3是一俯視示意圖，說明本發明生物晶片裝置的一第二較佳實施例之一第一電極的細部結構；圖4是一剖視圖，說明本發明生物晶片裝置的一第三較佳實施例；圖5是一俯視示意圖，說明本發明生物晶片裝置該第三較佳實施例之一第一電極與一輔助電極的細部結構；圖6是一顯微鏡影像，說明本發明該第一較佳實例於實際運用於一分離並濃縮一流體中的微粒的方法時，其分離粒徑為1μm之螢光乳膠微粒與粒徑為5~8μm的紅血球，並濃縮螢光乳膠微粒於該第一電極的一中心部；圖7是一顯微鏡影像，說明本發明該第二較佳實例於實際運用於分離並濃縮流體中的微粒的方法時，其分離粒徑為20nm之螢光乳膠微粒與粒徑為5~8μm的紅血球，並濃縮螢光乳膠微粒於該第一電極的一中心部；圖8是一顯微鏡影像，說明本發明該第三較佳實例於實際運用於分離並濃縮流體中的微粒的方法時，其分離粒徑為20nm之螢光乳膠微粒與粒徑為5~8μm的紅血球，並濃縮螢光乳膠微粒於該第一電極的一中心部；圖9是一閘極電壓變化(△V_Ref )對頻率(frequency；Hz)的曲線圖；圖10是一閘極電壓變化對時間的曲線圖；及圖11是一閘極電極變化對濃度(concentration；ng/ml)的曲線圖。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明生物晶片裝置之第一較佳實施例，適用於分離並濃縮一流體中的微粒。該生物晶片裝置包含：一個晶片本體2、一個第一電極3、一個第二電極4，及一個電力源5。

該晶片本體2界定出一容置該流體的空間20。

該第一電極3設置於該晶片本體2的空間20，並具有一暴露於該空間20中的表面30、一個中心部31及至少一個延伸部32，該第一電極3的延伸部32是自其中心部31朝外延伸。

該第二電極4設置於該晶片本體2的空間20並間隔地位於該第一電極3的上方及下方其中一者。在本發明該第一較佳實施例中，該第二電極4是間隔地位於該第一電極3的上方。該第二電極4具有一面向該第一電極3之表面30的表面40。該第二電極4的表面40面積是大於該第一電極3的表面30面積，且該第一電極3的表面30的一輪廓範圍是被該第二電極4的表面40的一輪廓範圍所包圍。

該電力源5電連接於該第一電極3與該第二電極4，該電力源5能對該第一電極3與該第二電極4提供一介於2Vpp至15Vpp間的交流電壓，並複合一介於0.05V至2V間的直流偏壓，以於該第一電極3與該第二電極4間產生一介於10³ V/m至10⁸ V/m間的非均勻的交流電場， 從而於該流體內產生一電流體動力(EHD)並使該流體內的微粒承受該介電泳力(DEP)。

為使得該電力源5在提供出該交流偏壓時足以於該第一電極3與該第二電極4間產生該介於10³ V/m至10⁸ V/m間的非均勻的交流電場；較佳地，該第一電極3的表面30與該第二電極4的表面40間具有一最短距離D，且D≦1mm。在本發明該第一較佳實施例中，該最短距離D是400μm。

本發明該第一較佳實施例被運用於分離並濃縮一流體中的微粒的方法時，是根據步驟(a)、步驟(b)、步驟(c)，與步驟(d)來實施。

步驟(a)：提供一含有多數第一微粒與多數第二微粒的流體，該等第二微粒的平均粒徑是小於該等第一微粒的平均粒徑。

步驟(b)：提供本發明該第一較佳實施例之生物晶片裝置。

步驟(c)：於該晶片本體2的空間20中放置該流體。

步驟(d)：經該生物晶片裝置的電力源5對該第一電極3與第二電極4提供該交流偏壓並複合該直流偏壓，以於該第一電極3與該第二電極4間產生該介於10³ V/m至10⁸ V/m間的非均勻的交流電場，從而於該流體內產生該電流體動力(EHD)，以致於每一第一微粒是承受一大於該電流體動力(EHD)的第一介電泳力(DEP)，且每一第二微 粒是承受一小於該電流體動力的第二介電泳力(DEP)。基於該第一電極3與該第二電極4兩者是呈上下間隔設置，以致於該非均勻的交流電場使該流體內所產生的電流體動力(EHD)是呈現出兩個立體且反向的漩渦流場。

該電力源5是電連接於該第一電極3與該第二電極4，且是能在該第一電極3與第二電極4間提供一具有一預定頻率範圍(0.1kHz至20MHz)的交流電壓(2Vpp至15Vpp)，並複合該直流偏壓(0.05V至2V間)，以致於該非均勻的交流電場是產生在該第一電極3與第二電極4間。以自血液細胞中分離出細菌(bacteria)舉例來說，較佳地，該電力源5所產生的非均勻的交流電場是10⁵ V/m。具體地說，該流體中的微粒是經該非均勻的交流電場所驅動，以致於不僅在該第一電極3與該第二電極4之表面30、40上形成一電雙層(electrical double layers)，更在該流體中產生電荷移動(charge migration)，藉此，在該流體中產生巨大的流動(bulk flow)。此現象則是眾所週知的電流體動力(EHD)，其包括了交流電滲流(AC electroosmostic flow，ACEO)與交流電熱流(AC electrothermal flow)。該電流體動力(EHD)是產生於該流體中並使該等第一微粒與該等第二微粒於該流體內傳輸。於此同時，該等第一微粒與該等第二微粒經該非均勻的電場引發以形成誘發偶極(induced dipole)，以致於該等第一、二微粒是因溶劑分子與該等第一、二微粒間的極化差(polarization variation)而分別承受該第一介電泳力與該第二介電泳力，藉此，驅使具有較小 平均粒徑的第二微粒集中在該第一電極3的中心部31。

此處需補充說明的是，該流體內的第一、二微粒在該交流電場的作用下所承受的介電泳力，主要是受該流體本身的導電度(conductivity)與提供於該第一、二電極3、4上之交流電壓的頻率所影響。

例如，若該流體為人體血液(即，一非淨化混合樣本)，該等第一微粒可以是血球(blood cells)，而該等第二微粒可以是平均粒徑小於血球的細菌。當供應有一頻率介於0.1kHz至200kHz間的交流電壓之流體(即，人體血液)的導電度低(1μS/cm至1mS/cm)時，該等具有較大平均粒徑的血球承受負介電泳力(nDEP)以被排斥離開該高電場區(即，該第一電極3及該二電極4)，且該等具有較小平均粒徑的細菌承受正介電泳力(pDEP)以被吸引至該高電場區(即，該第一電極3及該第二電極4)。此外，血球與細菌兩者也因該電滲流而受力，從而使血球與細菌朝向該第一電極3的中心部31被傳輸。因此，若該等細菌之正介電泳力(pDEP)小於該電滲作用時，該等細菌可朝向該第一電極3的中心部31傳輸並聚集在該第一電極3的中心部31上。若該等血球之負介電泳力(nDEP)大於該電滲作用時，該等血球可被排斥在該第一電極3的中心部31外。接著，拉曼光譜可在聚集有該等細菌的該第一電極3的中心部31上完成，以取得該等細菌的拉曼指紋。

另一方面，當提供有一頻率介於500kHz至20MHz間的交流電壓之流體的導電度較高(3mS/cm至20 mS/cm)時，血球與細菌兩者都自該頻率範圍承受正介電泳力(pDEP)，從而使血球與細菌被吸引至較高的電場區(即，該等電極)。然而，介電泳力(DEP)與微粒直徑的三次方成比例，具有不同直徑的微粒承受不同程度的介電泳力(DEP)。若血球的正介電泳力(pDEP)大於該電熱作用而細菌的正介電泳力(pEDP)小於該熱電作用時，該等細菌則能與血液分離並濃縮在該第一電極3的中心部31上。

經上述兩段說明可知，當作用於該流體內的電流體動力(EHD)為交流電滲作用時，則流體的導電度是介於1μS/cm至1mS/cm間，且該交流電壓的頻率範圍是介於0.1kHz至200kHz間；相對地，當作用於該流體內的電流體動力(EHD)為交流電熱作用時，則流體的導電度是介於3mS/cm至20mS/cm間，且該交流電壓的頻率範圍則是介於500kHz至20MHz間。

又，以該流體具有較低的導電度舉例來說，此處需補充說明的是，當該電力源5分別對該第一電極3與該第二電極4提供該交流電壓(Vpp)與該直流偏壓時，可於該第一、二電極3、4間產生該非均勻的交流電場，從而形成一偏壓的交流電滲流並使承受有正介電泳力的第二微粒朝該第一電極3的中心部31的一停滯點(stagnation point)驅近。因此，只要是能透過電流體動力(如，交流電滲作用)驅使微粒朝該停滯點的方向移動的形狀，皆適用於本發明該第一電極3的中心部31。

較佳地，本發明該第一電極3的中心部31是一 選自下列所構成之群組的形狀：圓形、橢圓形、正方形、長方形、菱形、T字形、三角形、十字形，及正多邊形。此處需補充說明的是，當該第一電極3之中心部31的面積過小時，則該電流體動力(EHD)於該流體中所產生的兩個立體且反向的漩渦流場易彼此重疊，以影響微粒的濃縮效果；相反地，當該第一電極3之中心部31的面積過大時，兩個漩渦流場則無法有效地作用於鄰近在該中心部31。因此，更佳地，該第一電極3的中心部31是一具有一直徑φ的圓形箔片，且φ是介於1μm至1000μm間。在本發明該第一較佳實施例中，該第一電極3的中心部31的直徑φ是300μm。

此外，此處更需進一步補充說明的是，該第一電極3的延伸部32之主要作用在於，用以在一較大面積中經由該電流體動力(EHD)作用，朝該第一電極3之中心部31產生微粒子的傳輸，以藉此提升本發明該生物晶片裝置的濃縮效率。較佳地，該第一電極3的延伸部32沿一實質垂直於其延伸部32的一軸線的方向具有一寬度We，且We是介於1μm至200μm間。在本發明該第一較佳實施例中，該第一電極3之延伸部32的寬度We是50μm。

參圖1與圖3，本發明生物晶片裝置之第二較佳實施例大致上是相同於該第一較佳實施例，其不同之處是在於，該第一電極3具有多數個延伸部32。該第一電極3的該等延伸部32是彼此間隔地分別自其中心部31朝外延伸。該第一電極3的每兩相鄰延伸部32共同定義出一預定 夾角，且該第一電極3的該等預定夾角是實質相等。在本發明該第二較佳實施例中，該第一電極3的延伸部32數量為十八個，且各預定夾角為20°。

此處值得一提的是，根據本發明圖3所顯示的第一電極3的細部結構可知，該第一電極3之該等延伸部32是分別自其中心部31徑向向外延伸，且每兩相鄰延伸部32之間距是朝其中心部31的方向遞減。以電場強度是隨著電極間距變小而提升的定律來看，每兩相鄰延伸部32間的電場是朝其中心部31的方向遞增；換句話說，電場強度越大處，則漩渦流場越強。因此，本發明該第二較佳實施例經由該電流體動力(EHD)作用，並在各延伸部32的輔助下，進一步地形成更多的傳輸途徑，使微粒朝該第一電極3之中心部31傳輸，並提升本發明該第二較佳實施例之生物晶片裝置的濃縮效率。

該第一電極3的各延伸部32沿一實質垂直於其延伸部32的軸線的方向分別具有該寬度We。又，此處需進一步補充說明的是，當各延伸部32的寬度We過小時，則可被帶往該中心部31的微粒數量將不足；當各延伸部32的寬度We過大時，則微粒被帶往該中心部31的效果亦變差。因此，較佳地，We是介於1μm至200μm間。在本發明該第二較佳實施例中，該第一電極3之各延伸部32的寬度We為50μm。

參圖4與圖5，本發明生物晶片裝置之第三較佳實施例大致上是相同於該第一較佳實施例，其不同之處是 在於，本發明該第三較佳實施例之生物晶片裝置還包含一個輔助電極6。

該輔助電極6是設置於該晶片本體2的空間20，該輔助電極6具有一面向該第二電極4之表面40的表面60。該輔助電極6之表面60的一輪廓範圍是被第二電極4之表面40的輪廓範圍所包圍，且該輔助電極6之表面60與該第一電極3之表面30是實質等高。該輔助電極6具有一個中心部61及多數個延伸部62。該輔助電極6的中心部61是間隔地圍繞於該第一電極3的中心部31外，該輔助電極6的該等延伸部62是彼此間隔地分別自其中心部61朝外延伸，該輔助電極6之每兩相鄰延伸部62共同定義出一預定夾角，且該輔助電極6的該等預定夾角是實質相等。在本發明該第三較佳實施例中，該輔助電極6的延伸部62數量為十七個，且各預定夾角為20°。

該輔助電極6的中心部61沿該第一電極3的中心部31的一徑向具有一寬度Wi，該輔助電極6的各延伸部62沿一實質垂直於其延伸部62的一軸線的方向分別具有該寬度We，φ/Wi≧2.828，且We是介於1μm至200μm間。在本發明該第三較佳實施例中，φ、We與Wi分別為300μm、50μm與60μm，且該輔助電極6的中心部61的內周緣至該第一電極3之中心部31的周緣的距離為40μm。

該電力源5還電連接於該輔助電極6，該電力源5能對該第一電極3、該第二電極4與該輔助電極6提供該交流電壓並複合該直流偏壓，以於該第一電極3與該第二 電極4間，且於該第一電極3與該輔助電極6間產生該介於10³ V/m至10⁸ V/m間的非均勻的交流電場，從而於該流體內產生該電流體動力(EHD)，並使該流體內的微粒承受該介電泳力(DEP)。

<分析數據>

參圖6，顯示有本發明該第一較佳實施例之生物晶片裝置，於實際運用於分離並濃縮一流體中的微粒的方法時的結果；其中，該流體的導電度為160μS/cm。以下配合參圖1、圖2與圖6，該電力源5是在該第一電極3與該第二電極4分別提供一0.5V的直流偏壓與一9Vpp的交流電壓，以在該第一電極3與該第二電極4間產生約10⁵ V/m的交流電場，從而在該流體內產生該電流體動力(EHD)，以分離粒徑為1μm之螢光乳膠微粒與粒徑為5~8μm的紅血球，並濃縮螢光乳膠微粒於該第一電極3的中心部31(如圖6所示)。

參圖7，顯示有本發明該第二較佳實施例之生物晶片裝置於實際運用於分離並濃縮一流體中的微粒的方法時的結果，其中；圖7的分析條件是相同於圖6的分析條件，差別處僅在於該流體中的微粒是含有平均粒徑為20nm的螢光乳膠微粒與平均粒徑為5~8μm的紅血球。由圖7顯示可知(並配合參圖3)，該流體中之20nm的螢光乳膠微粒可大範圍地由該第一電極3的各延伸部32傳輸至其中心部31的停滯點，而5~8μm的紅血球則是因負介電泳力(nDEP)的阻擋而被帶至相鄰延伸部32的預定夾角附近。整體來 說，其微粒的濃縮範圍是隨著該第一電極3之各延伸部32無限延伸增廣，並濃縮至一微小的停滯點。

參圖8，顯示有本發明該第三較佳實施例之生物晶片裝置於實際運用於分離並濃縮一流體中的微粒的方法時的結果，其中；圖8的分析條件是相同於圖7的分析條件，差別處僅在於(以下配合參4與圖5)，該電力源5是在該第一電極3、該第二電極4與該輔助電極6分別提供一0.5V的直流偏壓、一9Vpp的交流電壓與一4Vpp的交流電壓。由圖8顯示可知，該流體中的20nm螢光乳膠微粒可大範圍地由該輔助電極6的各延伸部62傳輸至其中心部61，並經由該輔助電極6的中心部61與該第一電極3的中心部31將20nm的螢光乳膠微粒帶至該第一電極3之中心部31的停滯點，且5~8μm的紅血球則是被負介電泳力(nDEP)阻擋在該輔助電極6之中心部61與相鄰延伸部62間。因此，以濃縮在該第一電極3之中心部31的微粒當作檢測電極時，依照一般感測學理來推，其檢測靈敏度是高於該第二較佳實施例。為進一步地證實本發明之生物晶片裝置及其分離並濃縮微粒的方法，可有效地改善檢測靈敏度並減少檢測所需耗費的時間，以下提供圖9~圖11等曲線來輔助說明本發明之功效。

參圖9，顯示有閘極電壓變化(△V_Ref )對頻率的曲線圖。圖9是採用本發明該第二較佳實施例進行微粒的分離與濃縮後，再以延伸式閘極場效電晶體(extending gate FET，EGFET)量測其第一電極3之中心部31上之結合有抗 體[免疫球蛋白G(immunoglobulin G，IgG)]與抗原[蛋白質A(protein A)；濃度為5ng/ml]的閘極電性變化；其分析條件是分別對其第一電極與第二電極提供0.2V的直流偏壓與9Vpp的交流電壓。根據圖9顯示可知，相同的蛋白質A濃度，於交流頻率為2kHz時所誘發的介電泳力(DEP)與電流體動力(EHD)的濃縮效果最適合進行表面抗原-抗體結合的檢測，並可得到最大的閘極電壓變化。

參圖10，顯示有閘極電壓變化(△V_Ref )對時間的曲線圖。圖10是根據圖9之分析結果，採用2kHz之交流頻率來實施微粒的分離與濃縮的方法，並以延伸式閘極場效電晶體(EGFET)量測抗體-抗原結合後的閘極電性變化。由圖10所顯示的結果可知，採用本發明該第二較佳實施例進行微粒分離與濃縮的樣本，只需5分鐘的時間，其閘極電壓變化已達飽和(也就是說，抗體-抗原已完全反應)。反觀圖10內所顯示之傳統靜置法(蛋白質A濃度為200ng/ml)所取得的曲線可知，採用傳統靜置法則需60分鐘的反應時間，其閘極電壓變化才達飽和，且其達飽和後的訊號更相對低於本案該第二較佳實施例。因此，採用本發明該第二較佳實施例進行微粒的分離與濃縮，不僅不需要高濃度的微粒，此外，更可在短時間內取得飽和的閘極電壓變化，證實本發明可有效地改善檢測靈敏度並減少檢測所需耗費的時間。

參圖11，顯示有閘極電壓變化(△V_Ref )對濃度的曲線圖。圖11是根據圖9之分析結果，採用2kHz之交流 頻率來實施微粒的分離與濃縮的方法，且搭配不同抗原濃度(本發明該第二較佳實施例的抗原濃度是0.5ng/ml~10ng/ml間，傳統靜置法的抗原濃度是50ng/ml~200ng/ml)，並以延伸式閘極場效電晶體(EGFET)量測抗體-抗原結合後的閘極電性變化。由圖11所顯示的結果可知，採用本發明該第二較佳實施例進行微粒分離與濃縮的樣本，其在抗原濃度為2.5ng/ml之上與2.5ng/ml之下明顯顯示有不同的曲線斜率；此外，採用本發明該第二較佳實施例進行微粒分離與濃縮的樣本，在抗原濃度介於5ng/ml~10ng/ml間，皆可有效地檢測出相當明顯的訊號。反觀圖11內所顯示之採用傳統靜置法所取得的曲線可知，採用傳統靜置法所取得的樣本，其在抗原濃度為50ng/ml的條件下所取得的訊號強度，卻遠低於本發明在抗原濃度為2.5ng/ml之條件下所取得的訊號，更進一步地證實，採用本發明該第二較佳實施例進行微粒的分離與濃縮，並不需要高濃度的微粒便可精確地檢測到訊號。

綜上所述，本發明生物晶片裝置及其分離並濃縮流體中之微粒的方法，不僅無須高濃度的微粒，更可在短時間內取得飽和且高強度的檢測訊號，證實本發明可快速且正確地自流體中(實際樣本中)分離且濃縮目標微粒(目標微生物)於特定區域，以供操作者進行拉曼光譜檢測，有效地改善檢測靈敏度並減少檢測所需耗費的時間，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而 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專利說明書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。

2‧‧‧晶片本體

20‧‧‧空間

3‧‧‧第一電極

30‧‧‧表面

31‧‧‧中心部

32‧‧‧延伸部

4‧‧‧第二電極

40‧‧‧表面

5‧‧‧電力源

Claims (10)

1. 一種生物晶片裝置，適用於分離並濃縮一流體中的微粒，該生物晶片裝置包含：一個晶片本體，界定出一容置該流體的空間；一個第一電極，設置於該晶片本體的空間，並具有一暴露於該空間中的表面、一個中心部及至少一個延伸部，該第一電極的延伸部是自其中心部朝外延伸；一個第二電極，設置於該晶片本體的空間並間隔地位於該第一電極的上方及下方其中一者，該第二電極具有一面向該第一電極之表面的表面，該第二電極的表面面積是大於該第一電極的表面面積，且該第一電極的表面的一輪廓範圍是被該第二電極的表面的一輪廓範圍所包圍；及一電力源，電連接於該第一電極與該第二電極，該電力源能對該第一電極與該第二電極提供一介於2Vpp至15Vpp間的交流電壓，並複合一介於0.05V至2V間的直流偏壓，以於該第一電極與該第二電極間產生一介於10³ V/m至10⁸ V/m間的非均勻的交流電場，從而於該流體內產生一電流體動力並使該流體內的微粒承受一介電泳力。
2. 如請求項1所述的生物晶片裝置，其中，該第二電極是間隔地位於該第一電極的上方。
3. 如請求項1所述的生物晶片裝置，其中，該第一電極的表面與該第二電極的表面間具有一最短距離D，且D≦1 mm。
4. 如請求項3所述的生物晶片裝置，其中，該第一電極的中心部是一選自下列所構成之群組的形狀：圓形、橢圓形、正方形、長方形、菱形、T字形、三角形、十字形，及正多邊形。
5. 如請求項4所述的生物晶片裝置，其中，該第一電極具有多數個延伸部，該第一電極的該等延伸部是彼此間隔地分別自其中心部朝外延伸，該第一電極的每兩相鄰延伸部共同定義出一預定夾角，且該第一電極的該等預定夾角是實質相等。
6. 如請求項5所述的生物晶片裝置，其中，該第一電極的中心部是一具有一直徑φ的圓形箔片，且φ是介於1μm至1000μm間；該第一電極的各延伸部沿一實質垂直於其延伸部的一軸線的方向分別具有一寬度We，且We是介於1μm至200μm間。
7. 如請求項4所述的生物晶片裝置，還包含一個輔助電極，該輔助電極是設置於該晶片本體的空間，該輔助電極具有一面向該第二電極之表面的表面，該輔助電極之表面的一輪廓範圍是被第二電極之表面的輪廓範圍所包圍，且該輔助電極之表面與該第一電極之表面是實質等高，該輔助電極具有一個中心部及多數個延伸部，該輔助電極的中心部是間隔地圍繞於該第一電極的中心部外，該輔助電極的該等延伸部是彼此間隔地分別自其中心部朝外延伸，該輔助電極之每兩相鄰延伸部共同定 義出一預定夾角，且該輔助電極的該等預定夾角是實質相等。
8. 如請求項7所述的生物晶片裝置，其中，該第一電極的中心部是一具有一直徑φ的圓形箔片，且φ是介於1μm至1000μm間；該輔助電極的中心部沿該第一電極的中心部的一徑向具有一寬度Wi，該輔助電極的各延伸部沿一實質垂直於其延伸部的一軸線的方向分別具有一寬度We，φ/Wi≧2.828，且We是介於1μm至200μm間。
9. 如請求項7所述的生物晶片裝置，其中，該電力源還電連接於該輔助電極，該電力源能對該第一電極、該第二電極與該輔助電極提供該交流電壓並複合該直流偏壓，以於該第一電極與該第二電極間，且於該第一電極與該輔助電極間產生該介於10³ V/m至10⁸ V/m間的非均勻的交流電場，從而於該流體內產生該電流體動力並使該流體內的微粒承受該介電泳力。
10. 一種分離並濃縮一流體中的微粒的方法，其包含以下步驟：(a)提供一含有多數第一微粒與多數第二微粒的流體，該等第二微粒的平均粒徑是小於該等第一微粒的平均粒徑；(b)提供一生物晶片裝置，該生物晶片裝置包括：(c)於該晶片本體的空間中放置該流體；及(d)經該生物晶片裝置的電力源對該第一電極與第二電 極提供一介於2Vpp至15Vpp間的交流電壓，並複合一介於0.05V至2V間的直流偏壓，以於該第一電極與該第二電極間產生一介於10³ V/m至10⁸ V/m間的非均勻的交流電場，從而於該流體內產生一電流體動力，以致於每一第一微粒是承受一大於該電流體動力的第一介電泳力，且每一第二微粒是承受一小於該電流體動力的第二介電泳力。