TWI497065B - 利用介電泳力以針對混合物進行量測之裝置與方法 - Google Patents
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Description
本說明書揭露一種透過介電泳力進行樣本前處理後，量測混合物中一溶解物及一懸浮物至少其中之一的性質之裝置及方法。
介電泳晶片是一種利用各種微粒本身與所存在之液體間的介電特性差異，以及施加於粒子懸浮液體中的交流電場梯度變化，來誘導該等微粒於液體中被極化而產生介電泳力(Dielectrophoresis force,DEP force)，使該等分別具有不同介電特性之微粒分別受正介電泳力(positive DEP force)作用而被吸引至電場強度最強的區域，以及受負介電泳力(negative DEP force)作用而被排斥到電場強度最弱的區域，因而可藉此將具有不同介電特性之微粒分離。
如中華民國第095131439號專利申請案(案名「生物微粒檢測的方法」)揭露一種生物微粒檢測的方法，生物微粒包含病毒、病菌、細胞等，常常作為病原體或毒物的攜帶者，此方法特徵為使用一晶片，晶片上設有交錯梳狀電極，梳狀電極上設一儲槽，其施行步驟包含：在試管中加入檢體以及對欲檢出目標生物微粒具專一性的結合奈米金的抗體，充分混合後，使目標生物微粒與該對應的奈米金抗體接合；汲取定量的混合液，滴入晶片上的儲槽；對梳狀電極施以一特定範圍頻率的交流電訊號，使所有結合上奈米金抗體的生物微粒，因為介電泳(DEP)的作用力，能有
效吸附於交錯梳狀電極的邊緣；加入清水，傾倒出混合液，重覆多次清洗，直到清除檢體，此時仍維持對梳狀電極施以一特定範圍頻率的交流電訊號；將梳狀電極再接上鎖相放大器與阻抗分析儀，量取梳狀電極間的阻抗，尤其是電容值，並與空白電極之對照組比較，其差異值與電極上吸附的生物微粒的數量成正比。
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「量測裝置與方法」，以下為本案之簡要說明。
本說明書係揭露一種透過介電泳力進行樣本前處理後量測混合物中一溶解物及一懸浮物至少其中之一的性質之裝置及方法。
為達上述目的，本說明書提供一種量測方法，用以量測一混合物中一特定物質之一濃度，其中該混合物更包含一粒子，該粒子可受一介電泳力操控，該方法包括：提供一電極，其中該電極上佈有可與該特定物質作用之一指示物質；使該混合物分布於該電極上，使該特定物質與該指示物質作用；透過該電極對分布於其上之該混合物中的該粒子提供該介電泳力，以使該粒子被排斥至該電極之外；以及透過量測該指示物質之一變化或反應，以得知該特定物質之該濃度。
為達上述目的，本說明書提供一種量測裝置，包括：一承載部，用以承載一混合物，該混合物具有一溶解物質以及一非溶解物質，該非溶解物質懸浮於該混合物中，該承載部更包含：一電極，具有一表面，該表面與該混合物直接接觸，且該表面上佈有可與該溶解物質作用之一指示物質；以及一導電層，與該混合物直接接觸，其中該電極及該導電層對該混合物產生一交流電場，以使該非溶解物質僅分布於該導電層上。
為達上述目的，本說明書提供一種量測方法，包括：提供一
電極及一導電層，其中該導電層上分布一第一指示物質；提供一混合物，該混合物具有一懸浮物、以及一溶解物溶解於其中，該懸浮物可與該第一指示物質作用後產生一第一變化；使該混合物分布於該電極及該導電層上；透過該電極及該導電層對該混合物產生一交流電場，以使大部分之該懸浮物排斥於該電極上而僅分布於該導電層上；以及透過該變化得知該懸浮物之一性質。
10、50、60‧‧‧晶片
11‧‧‧上蓋層
111、51、61‧‧‧電極
12‧‧‧基板
13‧‧‧中間層
14‧‧‧基板層
141、52、62‧‧‧導電層
15‧‧‧容置空間
21‧‧‧乳膠微粒
31‧‧‧大腸桿菌菌叢
53、63‧‧‧血球
第一圖為本案檢測系統之一種實施例的示意圖。
第二a及二b圖為本案分離混合物中懸浮粒子之一實施例。
第三a及三b圖為本案分離混合物中微生物之一實施例。
第四a及四b圖為本案濃縮混合物中血球之一實施例。
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包含一上蓋層11及一基板12，上蓋層11上更包含一單一電極111，基板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。
在第一圖中，上蓋層11及基板12之中間層13及基板層14間具有一容置空間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
液體混合物。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，藉以得到該混合物之電性性質，並可進一步藉由該電性性質，相應地反映出該混合物之特性。其中，該混合物可藉由一毛細力快速進入並分布於容置空間15中。
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。而晶片10的導電層141在實際應用時之大小，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，視需求佈於整個基板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。
當使用晶片10量測該混合物溶解物及/或懸浮物之一特性時，首先須使該混合物分布於容置空間15中，並直接與電極111及導電層141接觸。接著，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內的混合物，其內所包含的懸浮物將因該交流電壓而被極化，接著該些被極化的懸浮物，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、或在導電層141上)。也就是說，混合物中的懸浮物將與混合物之液體部分分離。
請續參閱第二a及二b圖，其顯示透過上述晶片分離混合物中懸浮粒子之一實施例。在第二a圖中，含有直徑為6μm之乳膠微粒(latex beads)21的磷酸鹽緩衝液(phosphate buffer，濃度為0.1M，乳膠微粒的濃度則為2×108
particles/mL)分布於容置空間15中。此時並未施加任何電壓於該混合物上，故乳膠微粒21係均勻分布於混合物及容置空間15中，亦分布於電極111(即虛線框起處)之上。接著，在第二b圖中，當對該混合物施加交流電壓後(20Vp-p
、100kHz)，乳膠微粒21明顯地被排開到電極111的兩側，
而幾乎已沒有乳膠微粒存在於電極111上。而透過本實施例可知，本案晶片確實可以達到分離混合物中懸浮粒子之功效。
請續參閱第三a及三b圖，其顯示透過上述晶片分離污染混合物中微生物之一實施例。在第三a圖中，含有高濃度大腸桿菌(E.coli
,8×108
CFU/mL)的磷酸鹽緩衝液(phosphate buffer，濃度為0.1M)分布於容置空間15中。此時並未施加任何電壓於該混合物上，故大腸桿菌菌叢31係均勻分布於混合物及容置空間15中，亦分布於電極111(及虛線框起處)之上。接著，在第三b圖中，當對該混合物施加交流電壓後(20Vp-p
、100kHz)，大腸桿菌菌叢31明顯地被排開到電極的兩側，而幾乎已沒有大腸桿菌菌叢粒子存在於電極111上。而透過本實施例可知，本案晶片確實可以達到分離污染混合物中微生物之功效。
請續參閱第四a及四b圖，其顯示透過上述晶片濃縮血漿中血球部分之一實施例。詳言之，紅血球表面都帶有不同的抗原，因此才會有所謂的血型的產生。在本實施例中，分別將不同的晶片之電極及/或導電層上分別修飾anti-A抗體和anti-B抗體。本實施例之晶片係使用不透光之金電極。第四a圖為修飾anti-B抗體的晶片50，其包含電極51及導電層52，anti-B抗體則修飾於電極51及/或導電層52上。當2μL的A型血液(血比容~5%)滴入晶片50而覆蓋於電極51及導電層52上時，可以觀察到血球53沒有產生凝聚的現象，所以當給予10Vp-p
且頻率100kHz時，電極51旁邊並不會產生排斥現象。第四b圖則為修飾anti-A抗體的晶片60，其包含電極61及導電層62，anti-A抗體則修飾於電極61及/或導電層62上。當2μL的A型血液(血比容~5%)滴入晶片60而覆蓋於電極61及導電層62上時，可以觀察到血球63會產生凝聚的現象，且由於凝聚現象造成血球凝集變大，因此所造成的介電泳力會被增強好幾倍，所以當給予相同交流電壓10Vp-p
且頻率100kHz時，電
極61旁邊的血球63會被排斥到電極61兩側，而更可明顯觀察到其凝集現象。而透過本實施例可知，本案晶片確實可以達到排斥凝集濃縮後的血球之作用，而可作為鑑定血型或血液中特殊抗體之用。
在第四b圖所示之實施例中，該A型血液(全血或稀釋的血液均可)亦可在外部先行與anti-A抗體混合後，再滴入晶片60中進行凝集紅血球之排斥及再濃縮凝集，亦將可得到第四b圖所示之結果。而透過第四a及四b圖可之，本案晶片不但可針對血液中特定溶解物，進行定性或定量分析，亦確可以作為鑑定血型或血液中特殊抗體之用。
在上述實施例中，由於在施以適當電壓後，混合物中的懸浮物均已被排斥於電極外，因此，與混合物中與電極直接接觸者，絕大部分僅剩混合物之液體部分。此時，若欲針對混合物中之溶解物進行特定性質之量測(如定量及/或定性)，將因減少了懸浮物的干擾而使量測結果更加準確。具體來說，當電極上修飾了一第一指示物質，而第一指示物質可與一特定溶解物作用(如專一性結合)而產生一變化時，當混合物分布於電極上後，特定溶解物即可與第一指示物質作用而產生該變化。此時，該變化即成為了對特定溶解物定量或定性的指標或參考參數。
其中，該第一指示物質可為螢光物質、冷光物質或可因其它呈色機制而呈色之物質、酵素、專一性親和物質或其任意組合。而該特定溶解物則可為蛋白質、核酸、微生物代謝產物、重金屬、環境賀爾蒙或其任意組合。
在一實施例中，本說明書上述之晶片，透過抗原-抗體結合之原理，進行特定物質的定量或定性分析。詳言之，在一混合物中含有一懸浮物及待測之一特定物質，則晶片上之電極可以預先佈有可與該特定物質專一性結合之抗體。當該混合物分布於該電極上時，該特定物質將與該
抗體專一性結合。接著，於該混合物中加入一第二抗體，該第二抗體亦可與該特定物質專一性結合、且可以發出冷光或被激發出螢光。是以，在該第二抗體與該特定物質專一性結合後，在透過上面說明所述，將該懸浮物透過介電泳力排斥於電極之外。此時，觀察者僅需觀察電極上之冷光或螢光指示/變化，即可對該特定物質進行定量或定性分析。更重要的，由於該懸浮物已被排斥於電極之外，故減少了該懸浮物的干擾，進而使得該等定量及定性分析的進行更加便捷，結果也更為精確。
在一實施例中，本發明晶片中電極上所分佈之結合物質(指示物質)，與混合物中之待測物質之間，亦可透過福斯特能量共振轉移(Förster resonance energy transfer，FRET，或稱熒光共振能量轉移(Fluorescence resonance energy transfer))之原理觀察。
在一另實施例中，本發明晶片中電極上所分佈之結合物質(指示物質)，與混合物中之待測物質之間，亦可透過酵素-受質之原理，讓該待測物質其中之一做為酵素、結合物質做為受質，再使得該受質受該酵素作用後產生得以觀察的變化後，將懸浮物排開於電極之上來進行觀察。
此外，晶片上(主要指導電層，惟亦可更包括電極)亦可修飾一第二指示物質，而此第二指示物質可與一懸浮物作用(如專一性結合)而產生一變化。當混合物進入晶片後，懸浮物即已與第二指示物質作用而產生變化，而當懸浮物經排斥而分布於導電層上後，懸浮物可因濃縮而與更多的第二指示物質作用而增強該變化。此時，該變化即成為了對懸浮物更有效之定量或定性的指標或參考參數。在一實施例中，若懸浮物與第二指示物質作用後將產生凝集現象(如上述紅血球抗原與不同血型的抗體結合而產生的紅血球凝集)，此凝集現象將可更顯著而更亦於觀察。
在另一實施例中，利用本案晶片亦可進行不同性質之懸浮物
的定量或定性分析。詳言之，若一待測混合物中具有一第一懸浮物及一第二懸浮物，該第一懸浮物及該第二懸浮物具有相異之介電性質，因此可利用同一交流電壓使其產生不同之介電泳力，而分別分布於電極上或排斥於電極外。是以，只要在電極上及/或導電層上分別修飾適當的專一性結合物質，該第一懸浮物及該第二懸浮物即可因介電泳力的操作，分別分布於電極及導電層上，而與修飾於其上的專一性結合物質結合。接著透過該第一懸浮物及/或該第二懸浮物與該等專一性結合物質所產生之變化，即可對該第一懸浮物及/或該第二懸浮物，進行定量或定性分析。
透過上述實施例可知，本說明書提供了一種量測方法，用以量測一混合物中一特定物質之一濃度，其中該混合物更包含一粒子，該粒子可受一介電泳力操控，該方法包括：提供一電極，其中該電極上佈有可與該特定物質作用之一指示物質；使該混合物分布於該電極上，使該特定物質與該指示物質作用；透過該電極對分布於其上之該混合物中的該粒子提供該介電泳力，以使該粒子被排斥至該電極之外；以及透過該指示物質之一變化，以得知該特定物質之該濃度。
透過上述實施例可知，本說明書提供了一種量測裝置，包括：一承載部，用以承載一混合物，該混合物具有一溶解物質以及一非溶解物質，該非溶解物質懸浮於該混合物中，該承載部更包含：一電極，具有一表面，該表面與該混合物直接接觸，且該表面上佈有可與該溶解物質作用之一指示物質；以及一導電層，與該混合物直接接觸，其中該電極及該導電層對該混合物產生一交流電場，以使該非溶解物質僅分布於該導電層上。
透過上述實施例可知，本說明書提供了一種量測方法，包括：提供一電極及一導電層，其中該導電層上分布一第一指示物質；提供
一混合物，該混合物具有一懸浮物、以及一溶解物溶解於其中，該懸浮物可與該第一指示物質作用後產生一第一變化；使該混合物分布於該電極及該導電層上；透過該電極及該導電層對該混合物產生一交流電場，以使大部分之該懸浮物排斥於該電極上而僅分布於該導電層上；以及透過該變化得知該懸浮物之一性質。
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。
1.一種量測方法，用以量測一混合物中一特定物質之一濃度，其中該混合物更包含一粒子，該粒子可受一介電泳力操控，該方法包括：提供一電極，其中該電極上佈有可與該特定物質作用之一指示物質；使該混合物分布於該電極上，使該特定物質與該指示物質作用；透過該電極對分布於其上之該混合物中的該粒子提供該介電泳力，以排斥該粒子至該電極之外；以及透過該指示物質之一變化，以得知該特定物質之該濃度。
2.如例示實施例1所述之方法，其中該粒子為一微生物。
3.如例示實施例第2項所述之方法，其中該特定物質選自由一蛋白質、一核酸、經該微生物代謝之一產物及其任意組合所組成之群組其中之一。
4.如例示實施例第1項所述之方法，其中該指示物質可與該特定物質專一性結合而產生該變化，該變化為一顏色變化。
5.一種量測裝置，包括：一承載部，用以承載一混合物，該混合物具有一溶解物質以及一非溶解物質，該非溶解物質懸浮於該混合物中，該承載部更包含：一電極，具有一表面，該表面與該混合物直接接觸，且該表面上佈有可與該溶解物質作用之一指示物質；以及一導電層，與該混合物直接接觸，其中該電極及該導電層對該混合物產生一交流電
場，以使該非溶解物質大部分分布於該導電層上，且該指示物質與該溶解物質作用而產生一變化，而該變化反映該溶解物質之一性質。
6.如例示實施例第5項所述之裝置，該裝置更連接至一計算單元，其中該指示物質與該溶解物質作用而產生一變化，該計算單元則基於該變化換算出該溶解物質之一濃度。
7.如例示實施例第5項所述之裝置，其中該混合物為一受污染物。
8.一種量測方法，包括：提供一電極及一導電層，其中該電極上及該導電層上至少其中之一分布一第一指示物質；提供一混合物，該混合物具有一懸浮物、以及一溶解物溶解於其中，該懸浮物可與該第一指示物質作用後產生一第一變化；使該混合物分布於該電極及該導電層上，使該懸浮物與該第一指示物質作用而產生該第一變化；透過該電極及該導電層對該混合物產生一交流電場，以使大部分之該懸浮物排斥於該電極上而分布於該導電層上；以及透過該變化得知該懸浮物之一性質。
9.如例示實施例第8項所述之方法，其中該電極上佈有可與該溶解物作用之一第二指示物質，該第二指示物質與該溶解物作用後產生一第二變化，該方法更包含：透過該第二變化，以得知該溶解物質之一濃度。
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‧‧‧上蓋層
111‧‧‧電極
12‧‧‧基板
13‧‧‧中間層
14‧‧‧基板層
141‧‧‧導電層
15‧‧‧容置空間
Claims (9)
- 一種量測方法，用以量測一混合物中一特定物質之一濃度，其中該混合物更包含一粒子，該粒子可受一介電泳力操控，該方法包括：提供一電極，其中該電極上佈有可與該特定物質作用之一指示物質；使該混合物分布於該電極上，使該特定物質與該指示物質作用；透過該電極對分布於其上之該混合物中的該粒子提供該介電泳力，以排斥該粒子至該電極之外；以及透過該指示物質之一變化，以得知該特定物質之該濃度。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該粒子為一微生物。
- 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該特定物質選自由一蛋白質、一核酸、經該微生物代謝之一產物及其任意組合所組成之群組其中之一。
- 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該指示物質可與該特定物質專一性結合而產生該變化，該變化為一顏色變化。
- 一種利用介電泳力以進行量測之量測裝置，包括：一承載部，用以承載一混合物，該混合物具有一溶解物質以及一非溶解物質，該非溶解物質懸浮於該混合物中，該承載部更包含：一電極，具有一表面，該表面與該混合物直接接觸，且該表面上佈有可與該溶解物質作用之一指示物質；以及一導電層，與該混合物直接接觸，其中該電極及該導電層對該混合物產生一交流電場，以使該非溶解物質大部分分布於該導電層上，且該指示物質與該溶解物質作用後，量測該混合物之一電性性質，而該電性性質反映該溶解物質之一性質。
- 如申請專利範圍第5項所述之裝置，該裝置更連接至一計算單元，其中該計算單元則基於該電性性質換算出該溶解物質之一濃度。
- 如申請專利範圍第5項所述之裝置，其中該混合物為一受污染物。
- 一種利用介電泳力以進行量測之量測方法，包括：提供一電極及一導電層，其中該電極上及該導電層上至少其中之一分布一第一指示物質；提供一混合物，該混合物具有一懸浮物以及一溶解物，該懸浮物可與該第一指示物質作用後產生一第一變化；使該混合物分布於該電極及該導電層上，使該懸浮物與該第一指示物質作用而產生該第一變化；透過該電極及該導電層對該混合物產生一交流電場，以使大部分之該懸浮物排斥於該電極上而分布於該導電層上；以及透過該第一變化得知該懸浮物之一性質。
- 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該電極上佈有可與該溶解物作用之一第二指示物質，該第二指示物質與該溶解物作用後產生一第二變化，該方法更包含：透過該第二變化，以得知該溶解物質之一濃度。
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