TWI487904B - 血液檢測裝置與方法 - Google Patents

Description

血液檢測裝置與方法

本說明書揭露一種血液檢測裝置與方法，其中該裝置或該方法係透過單一電極分離血液中之血漿及血球，再透過該分離後之血漿進行檢測。

血液檢驗是健康檢查中重要的檢測項目之一，因為血液循環佈滿了全身使許多物質經由血液輸送，在臨床血液檢測上，主要處理過程分成三大步驟，分別是樣本抽取、樣本前處理、檢驗項目。在樣本抽取上可分成醫院檢驗的抽血檢查到居家檢驗的扎一滴血作檢測，之後再將取得的全血樣本經過前處理後，使血球和血漿分開來作個別的檢驗。其中血漿的檢驗可以分成血糖檢測、尿酸檢測、乳酸檢測、膽固醇檢測…等，因為許多待檢測的物質都存在於血漿中，能夠反應出人體的生理和健康狀態。然而現有的血糖儀透過扎一滴血作檢測，由於血量太少(小於5 μL)以目前的前處理方法無法將血球和血漿分離，因此在沒有作樣本前處理的情況下，即直接進行血糖的檢測，才會造成其誤差值大於20%以上，而醫院為了求得精準的檢測數值，因此必須先將血液樣本作前處理使血球和血漿分離後，再檢測血漿的物質，如此其誤差值能夠降到5%以下，顯見出樣本前處理的重要性。

進一步言之，在全血血液中，血漿物質的檢測，其影響最大的是血液中的紅血球，由於紅血球在血液中的數量高達5×10⁹ cells/mL，也 因為如此血液才會呈現紅色，另外一個影響因素是血比容，所謂的血比容指的是全血離心後，沉澱的紅血球體積佔全血體積的百分比。因每個人的血比容並不相同(成年男子的血比容約42~54%、成年女子的血比容約37~47%、新生兒的血比容約48~69%、血液透析的病人的血比容約30~33%)，由此可知全血中的紅血球所佔的比例遂成不可忽略的差異(特別是在年長者與新生兒等的相關族群)。因此高濃度的血球靠近或接觸檢測電極，都會影響到其檢測的數值，因此若能夠在檢測之際，設法將血球和血漿分離，則必能更精準檢測到血漿中的物質以降低血球所造成的干擾。

傳統的血球和血漿分離方法仍然是以離心或過濾來進行處理，然而透過離心的方法，其缺點為體型大、不易微小化、花費時間長、價格貴。另一種分離方法則是利用過濾的方法，主要是使用各式各樣的材料和孔徑來過濾血球和血漿，然此方法的缺點是花費時間長，重要的是傳統的方法都無法用在一滴血的分離。基於上述，以微流體晶片的方法才會愈來愈多人使用。目前國外的研究常用流體力學的方式來分離血球和血漿，主要使用複雜的微流道結構產生分離的流場或使用各式各樣的過濾微結構來產生血球和血漿的分離，此方法的優點是不需要外加任何電源，只依靠外加流力和微流道即可達到效果，然而其缺點是複雜的製作過程，以及必須在外部施加流力，例如注射幫浦，因此造成不易微小化及增加製作的難度，此方法雖然可以用在體積較大的血液樣本，但是仍然無法用在一滴血上的分離。

另一方面也有使用主動式的方式來產生血球和血漿分離，如表面聲波、介電泳力、旅波式介電泳力等，這些方法中有的已被發展出微小的類流式細胞分選儀，或更在微流體晶片上，賦予微結構或電極等，遂也發揮了相當不錯之粒子集中、分離、濃縮、操控等的功能，然針對全血 偵測之際，特別是在僅有微小血量而需進行血球與血漿分離前提下，許多關鍵功夫尚須開發。

申請人經悉心設計與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「血液檢測裝置與方法」，以下為本案之簡要說明。

本說明書係揭露一種快速且低血量的血球和血漿分離之裝置與方法，並結合檢測裝置以降低血球的干擾及提高檢測精準度。

為達上述目的，本說明書提供一種量測系統，其包含：一第一構件，其上佈有一電極，該電極與一血液接觸，該血液包含複數血球、血漿及一標的物質，該電極用以將該血液分離為一低血球部分及一高血球部份，並用該電極量測與該低血球部分中的該標的物質的一性質；一第二構件，用以與該第一構件疊合，以形成一容置空間，該容置空間用以容置該混合物。

為達上述目的，本說明書提供一種量測方法，其包含：提供一血液，該血液包含複數血球、一標的物質及一血漿；提供一電極，用以與該血液接觸；透過該電極及一導電層對該血液施加一交流電場，以使該血漿的至少一部份與該複數血球分離；以及利用該電極透過該血漿的該部份量測該標的物質的一性質。

為達上述目的，本說明書提供一種量測方法，其包含：提供一血液，該血液包含複數血球及一血漿；提供一電極，用以與該血液接觸；透過該電極及一導電層對該血液產生一交流電場，用以分離該複數血球及該血漿，其中該電極與分離後之該血漿接觸；以及透過該電極量測與該血漿相關之一特性。

為達上述目的，本說明書提供一種量測方法，其包含：提供 一血液，該血液包含複數血球；提供一電極，用以與該血液接觸；透過該電極與一導電層對該血液產生一不均勻電場，用以將該血液分離成一第一部分及一第二部分，其中該第一部分所含之血球數高於該第二部分所含之血球數；以及透過該電極量測該第二部分之一特性。

其中，本說明書所述之「血液」，在未特別說明的情況下，均係指未經任何前處理的全血血液。

10‧‧‧晶片

11‧‧‧第一構件

111、41‧‧‧電極

12‧‧‧第二構件

13‧‧‧中間層

14‧‧‧基板層

141‧‧‧導電層

15‧‧‧容置空間

16、42‧‧‧血液

161‧‧‧第一部份

162‧‧‧第二部份

421‧‧‧血漿部分

422‧‧‧血球部分

第一圖為本案檢測系統之一種實施例的示意圖。

第二圖為本案檢測系統之一種實施例的示意圖。

第三A至三C圖為本案檢測系統之一種實施例及其實施步驟的示意圖。

第四A至四F圖為本案檢測系統之一種具體實施例結果圖。

第五A至五D圖為本案檢測系統之一種具體實施例結果圖。

本案的裝置與方法將可由以下的實例說明而得到充分瞭解，並使得熟習本技藝之人士可以據以完成。然本案之實施型態並不以下列實例為限。

請參閱第一圖，其為本案檢測系統之一種實施例的示意圖。在第一圖中，檢測系統係以一晶片10態樣實施，晶片10包含一第一構件11及一第二構件12，第一構件11上更包含一單一電極111，第二構件12則由一中間層13及一基板層14構成，基板層14上更佈有一導電層141。

請續參閱第二圖，其為第一圖中的各元件組合後所形成之晶片10示意圖。在第二圖中，當第一構件11及第二構件12結合後，第一構件 11及第二構件12之中間層13及基板層14將可間隔出一容置空間15，電極111與導電層141分別位於容置空間15的側面，而容置空間15具有一第一開口151及一第二開口152，並可藉以容納一欲檢測之液體(如血液16)。當該液體同時與電極111與導電層141接觸時，該液體、電極111與導電層141形成一通路，如此便可透過對電極111及導電層141施以適當電壓，藉以得到該液體之電性性質，並可進一步藉由該電性性質，相應地反映出該液體之特性。

在一實施例中，電極111與導電層141分別位於容置空間15之相對側，且導電層141之大小可在得以與容置空間15中的液體及電極111形成通路的前提下，視需求佈於整個第二構件12表面、容置空間15之一側的整個表面、或是容置空間15之一側的部份表面。

在一實施例中，第一構件11為一載玻片，中間層13則為具適當厚度之雙面膠，因此晶片10將可透過中間層13結合第一構件11及基板層14，而以極為簡便快速的方式製備而成。其中，中間層13亦可以它種膠體(如光學膠)或材料(如塑膠或光阻材料)製成，並同樣連接第一構件11及基板層14。而在另一實施例中，中間層13及基板層14係為一體成型者，如此第一構件11及第二構件12即可透過簡單之機制(如黏著、熱熔或囓合等)結合，以形成容置空間15。

請續參閱第三A、三B及三C圖，其表示本發明之檢測血液之方法示意圖，其中第三A、三B及三C圖係按照時間發生順序排列。在第三A圖中，血液16準備由第一開口151進入容置空間15內，其中血液16包含複數血球及血漿。接著，即如第三B圖所示，血液16自第一開口151進入容置空間15後，血液16隨即因毛細力而快速分布於容置空間15中，進而與電極111與導電層141直接接觸。當血液16與電極111接觸後，便可透過電極111及導電層141對血液16產生一交流電場。此時由於該交流電場的存在，血液 16中的複數血球將因介電泳力的作用而被排斥至電極111的周圍，故而電極111將可與不含或含有極少量血球的血漿直接接觸，即如第三C圖所示。

詳言之，在第三C圖中，當對電極111及導電層141施加一交流電壓後，將有交流電場(不均勻電場)存在於容置空間15內。因此，分布於容置空間15內的血液16，其內所包含的複數血球將因該交流電壓而被極化，接著該些被極化的複數血球，將因交流電場所產生的電場梯度而被快速排斥至弱電場區域(即遠離電極111處)。也就是說，血液16中的複數血球及血漿將可因之分離。在第三C圖中，血液16受到交流電場的影響因而分離成一第一部分161及一第二部份162，其中第一部份161即為血漿部份(低血球部分)，第二部份162則為複數血球部份(高血球部分)，而電極111將僅與低血球部分直接接觸。在此情況下，若需要對血液16所含的某一標的物質進行檢測(例如量測該標的物質在血液16中的濃度)時，由於電極111僅與血漿部份接觸而少了血球部分的干擾，故而可透過電極111獲得與血液16相關之電性性質，且此電性性質將較以相同電極量測未經血球血漿分離之血液所得者更為精準。而透過此較精準之電性性質，當可進一步換算成如該標的物質在血液16中之濃度等特性。

請參閱第四A、四B、四C、四D、四E及四F圖，其顯示本案分離血液中血球血漿之實施例結果圖。詳言之，第四A圖係顯示電極41尚未佈滿血液時之狀態(電極41係配置在類似於容置空間15的腔室中，在此實施例中，電極之寬度為50 μm，腔室之高度則為30 μm)。接著使血液42(血容比約為47%)分佈於電極41上後，對電極41及導電層施以一交流電訊號(14 V_p-p 、100 kHz)後，血液42中的複數血球將會因介電泳力的影響而排斥至電極41以外之處。即如第四B至四F圖所示，在對電極41施以上述交流電訊號5、10、15、20及25秒後，血液42明顯逐漸分離成血漿部分421及血 球部分422，其中電極41係直接與血漿部分421接觸，而血球部分422則係離電極41至少一距離。更即如同第四F圖所示，在對電極41施以上述交流電訊號25秒後，血液42中的絕大部分血球，均已被排斥於電極41處之外，若此時再進一步透過電極41對血漿部分421進行如電化學檢測等動作，由於已排除血球的干擾，所以當可得到更精準的血液42相關電性性質，並可進一步換算成血液42之特性(即如某物質之濃度)。

由上述實施例可知，本案確實提供一種利用同一電極進行血液之血球及血漿分離、並進行血漿部分相關數值之檢測的裝置及方法。該電極可為本案檢測裝置中唯一的電極(即單一電極)。而在本案另一實施例中，該電極的數量為兩個以上(即複數電極)，但是該複數電極至少其中之一係進行血液之血球及血漿分離、及血漿部分相關數值之檢測等兩種功能。另外，電極之形狀當可配合裝置或檢測需求而有所調整，如長形、方形、圓形、指狀、叉狀或其任意組合，惟當不限於此。

請參閱第五A圖，其為本案量測血糖實施例之結果示意圖。詳言之，利用如第一圖及第三A至三C圖所示之裝置及機制，量測血液中的血糖所反映出之電性性質。本實施例係以電化學式的安培法進行血液中的血糖量測，其中電極(如電極111)表面係經酵素修飾處理如下：滴3 μL的葡萄糖氧化酶於電極表面，並使用旋轉塗佈機進行塗佈(1000 rpm、20秒)後自然乾燥，之後再滴3 μL的鐵氰化鉀(potassium ferricyanide)於具有葡萄糖氧化酶的電極表面上，接著以60℃加熱1分鐘，即可完成酵素修飾。當血液流入時，接著對電極及導電層施以分離電壓(14 V_p-p ，100 kHz)以分離血液中的血球及血漿後經過10秒後，停止交流電的施加，再對該電極施以0.6 V的直流電壓量測30秒，紀錄血糖的響應電流即如第五A圖所示，其中(a)表未先經血漿血球分離者之血糖量測數據，(b)則表經本案上述血漿血 球分離程序者之血糖量測數據，(a)及(b)兩組各經三次獨立實驗(各次檢測時之裝置(即晶片)均為全新)。第五B圖則為(a)及(b)兩組之數據於第3秒之響應電流值的統計圖。第五C圖為純的葡萄糖溶液(即「Pure glucose」、方形標記)、全血經血球分離(即「Whole blood」、圓形標記)、及全血未經處理(即「Whole blood(DEP)」、三角形標記)，透過本案上述方法及裝置量測的電流值，其血糖範圍從低血糖到高血糖(從50 mg/dl至550 mg/dl)。其中，經線性回歸方法分析後，「Pure glucose」、「Whole blood」、及「Whole blood(DEP)」等組個別之回歸式及回歸係數(R)分別為Y=8+0.02X、R=0.995；Y=5.86+0.02X、R=0.998；及Y=3.23+0.02X、R=0.969。第五D圖則為透過本案上述方法及裝置進行全血經血球分離(即「Whole blood(DEP)」、圓形標記)及全血未經處理(即「Whole blood」、方形標記)在不同血比容範圍內(30~60%)之量測的電流值。

透過第五A、五B圖及五C圖可知，血液經本發明之血球血漿分離方法處理後，其量測血糖的響應電流值，相較於未經任何處理之血液者高出了許多，而且第五C圖更顯示出經血球血漿分離後其電流值接近沒有血球的葡萄糖溶液，同樣第五D圖也顯示出經血球血漿分離後具有抗血比容的干擾。由此可知，本發明之裝置及方法確能有效地排開血球以降低其所造成的干擾，進而增強所量測的訊號。而透過發明方法所得之響應電流，當可更精準地反應出血液中血糖之濃度。也就是說，血液經本發明之血球血漿分離方法處理後，當可更精準地反應其電性性質，藉以準確得到受測血液之相關特性。

此外，本發明之裝置及方法當可透過電化學法、電阻抗法、光學檢測或其任意組合，來量測血液中之標的物質如血糖、膽固醇、三酸甘油酯、尿酸、乳酸、酮體、肌酸酐、蛋白質等或其任意組合之濃度或存 在與否，惟當不限於此。而所用以量測該標的物質之電極，當可視檢測方法於其上佈有可與該標的物質產生專一性反應之一檢測物質。

透過上述實施例可知，本說明書提供了一種檢測方法，其包含：提供一血液，該血液包含複數血球、一標的物質及一血漿；提供一電極及一導電層，用以與該血液接觸；透過該電極及導電層對該血液產生一交流電場，以使該血漿的至少一部份與該複數血球分離；以及利用該電極透過該血漿的該部份量測該標的物質的一性質。

透過上述實施例可知，本說明書提供了一種檢測方法，其包含：提供一血液，該血液包含複數血球及一血漿；提供一電極及一導電層，用以與該血液接觸；透過該電極及導電層對該血液產生一交流電場，用以分離該複數血球及該血漿，其中該電極與分離後之該血漿接觸；以及透過該電極量測與該血漿相關之一特性。

透過上述實施例可知，本說明書提供了一種檢測方法，其包含：提供一血液，該血液包含複數血球；提供一電極及一導電層，用以與該血液接觸；透過該電極及導電層對該血液產生一不均勻電場，用以將該血液分離成一第一部分及一第二部分，其中該第一部分所含之血球數低於該第二部分所含之血球數；以及透過該電極量測該第一部分之一特性。

具體而言，以下所列之例示實施例可以對本發明做更清楚的描述。

1.一種檢測系統，其包含：一第一構件，其上佈有一電極，該電極與一血液接觸，該血液包含複數血球及一標的物質，該電極用以將該血液分離為一低血球部分及一高血球部份，並用該電極量測與該低血球部分中的該標的物質的一性質，其中該低血球部分所含之血球數低於該高血球部分所含之血球數；一第二構件，用以與該第一構件疊合，以形成一 容置空間，該容置空間用以容置該血液。

2.如例示實施例1所述之系統，其中該第二構件更包含一中間層及一基板層，該中間層使該第一構件及該基板層結合，該容置空間位於該第一構件、該中間層及該基板層之間，該基板層上佈有一導電層，該導電層位於該容置空間之一側，並與該血液直接接觸。

3.如例示實施例1所述之系統，其中該標的物質選自一血糖、一膽固醇、一三酸甘油酯、一尿酸、一乳酸、一酮體、一肌酸酐、一蛋白質其中之一或其任意組合。

4.如例示實施例1所述之系統，其中該性質為一濃度，該電極上則佈有可與該標的物質產生專一性反應之一檢測物質。

5.如例示實施例1所述之系統，其中該低血球部分為一血漿，該電極與該血漿直接接觸。

6.一種檢測方法，其包含：提供一血液，該血液包含複數血球、一標的物質及一血漿；提供一電極，用以與該血液接觸；透過該電極及導電層對該血液產生一交流電場，以使該血漿的至少一部份與該複數血球分離；以及利用該電極透過該血漿的該部份量測該標的物質的一性質。

7.一種檢測方法，其包含：提供一血液，該血液包含複數血球及一血漿；提供一電極，用以與該血液接觸；透過該電極及導電層對該血液產生一交流電場，用以分離該複數血球及該血漿，其中該電極與分離後之該血漿接觸；以及透過該電極量測與該血漿相關之一特性。

8.一種檢測方法，其包含：提供一血液，該血液包含複數血球；提供一電極，用以與該血液接觸；透過該電極及導電層對該血液產生一不均勻電場，用以將該血液分離成一第一部分及一第二部分，其中該第一部分所含之血球數低於該第二部分所含之血球數；以及透過該第一部 分量測該血液之一特性。

9.如例示實施例8所述之方法，其中該第二部分為一血漿部分。

10.如例示實施例8所述之方法，其中該電極量測該第一部分之該特性。

經由上述說明可知，本說明書確實提供了一種分離全血中血球和血漿之系統及方法，該系統得以晶片型式實現，其尺寸當可符合微小化的設計(如14×26 mm)，且其組裝方法簡單快速。事實上，本發明之裝置及方法，在血比容10-60%的範圍內，可於20秒內達到80%以上的分離效率。除了全自動化和微小化外，本發明之裝置及方法還具有低血量(1 μL即可進行)、高分離效率以及快的反應時間等優點。本發明之裝置及方法成功地結合毛細管介電泳晶片和電化學檢測裝置來檢測血液中的血糖，並証明了經過晶片將血球和血漿分離後再檢測血漿中的物質，其血球干擾會被降低及檢測的訊號會被增強。

因此本發明之裝置及方法的確解決了血液之血球及/或血比容所造成的干擾，且因操作簡單，故當可實現全自動化之批次操作。

惟值得注意，縱使本案已由上述之實例所詳細敘述，而可由在此領域具通常知識者任施匠思而為諸般修飾，然該等修飾皆不脫離如附實施例所欲保護者。

10‧‧‧晶片

11‧‧‧第一構件

111‧‧‧電極

12‧‧‧第二構件

13‧‧‧中間層

14‧‧‧基板層

141‧‧‧導電層

Claims (10)

1. 一種檢測系統，其包含：一第一構件，其上佈有一電極，該電極與一血液接觸，該血液包含複數血球及一標的物質，該電極用以將該血液分離為一低血球部分及一高血球部份，該電極並用以量測該低血球部分中的該標的物質的一性質，其中該低血球部分所含之血球數低於該高血球部分所含之血球數；一第二構件，其具有一導電層，並用以與該第一構件疊合以形成一容置空間，該容置空間用以容置該血液。
2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該第二構件更包含一中間層及一基板層，該中間層使該第一構件及該基板層結合，該容置空間位於該第一構件、該中間層及該基板層之間，該基板層上佈有該導電層，該導電層位於該容置空間之一側，並與該血液直接接觸。
3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該標的物質選自一血糖、一膽固醇、一三酸甘油酯、一尿酸、一乳酸、一酮體、一肌酸酐、一蛋白質其中之一或其任意組合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該性質為一濃度，該電極上則佈有可與該標的物質產生專一性反應之一檢測物質。
5. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該低血球部分為一血漿，該電極與該血漿直接接觸。
6. 一種檢測方法，其包含：提供一血液，該血液包含複數血球、一標的物質及一血漿；提供一單一電極，用以與該血液接觸；透過該單一電極及一導電層對該血液產生一交流電場，以使該血漿的至少一部份與該複數血球分離；以及 利用該單一電極透過該血漿的該部份量測該標的物質的一性質。
7. 一種檢測方法，其包含：提供一血液，該血液包含複數血球及一血漿；提供一單一電極，用以與該血液接觸；透過該單一電極及一導電層對該血液產生一交流電場，用以分離該複數血球及該血漿，其中該電極與分離後之該血漿接觸；以及透過該單一電極量測與該血漿相關之一特性。
8. 一種檢測方法，其包含：提供一血液，該血液包含複數血球；提供一單一電極，用以與該血液接觸；透過該單一電極及一導電層對該血液產生一不均勻電場，用以將該血液分離成一第一部分及一第二部分，其中該第一部分所含之血球數低於該第二部分所含之血球數；以及利用該單一電極透過該第一部分量測該血液之一特性。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該第二部分為一血漿部分。
10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該單一電極量測該第一部分之該特性。