TWI507690B

TWI507690B - 生物晶片構裝

Info

Publication number: TWI507690B
Application number: TW103130203A
Authority: TW
Inventors: Chi Hsing Hsu
Original assignee: Silicon Optronics Inc
Priority date: 2014-09-02
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2015-11-11
Also published as: CN105572398A; CN105572398B; TW201610437A; US20160059230A1

Description

生物晶片構裝

本發明係有關於生物晶片構裝，特別是有關於具有微流體操作系統之生物晶片構裝。

生物晶片(biochip)係利用微機電技術將探針分子(probe)植入晶片中，再透過生物結合特性進行各種生化分析，其作用對象可包括基因、蛋白質或細胞組織等，其可應用於諸如：生物醫學研究、疾病診斷、食品病原體檢測、環境分析和鑑識等領域，並具有可攜帶、分析靈敏度及專一性高、分析速度快、僅需少量檢測樣品及試劑等優點，是生物技術產業中蓬勃發展的新領域。

然而，由於生物分析往往涉及許多步驟，例如：樣品製備、反應及樣本分析…等。若可整合分析中所需的種種元件集中在單一生物晶片構裝，再驅動樣品或試劑在連接各元件間的流體通道中移動以完成分析，將可大幅提昇便利性。因此，開發出結構簡單的設備並實現有效的微流體運輸和控制已成為生物晶片研究的重要課題。

本發明提供一種生物晶片構裝，包括：(a)底板，包括：底部基板；第一電極層設置於底部基板上；及第一疏水層設置於第一電極層上；(b)頂板，包括：頂部基板；及第二疏水層設置於頂部基板上，且第一疏水層及第二疏水層對向設置且彼此間隔以形成流體通道；(c)控制單元，連接第一電極層以於第一方向上操作流體；(d)至少一生物晶片，經由多個連接柱架設於底板上方並與底板彼此間隔，以使流體流經至少一生物晶片及底板之間。

10‧‧‧入口

20‧‧‧出口

30、40‧‧‧區域

100‧‧‧生物晶片構裝

110‧‧‧底板

112‧‧‧底部基板

114‧‧‧第一電極層

114a、114b、114c、114d‧‧‧電極

116‧‧‧第一疏水層

120‧‧‧頂板

122‧‧‧頂部基板

126‧‧‧第二疏水層

130‧‧‧流體通道

140‧‧‧生物晶片

140a、140b、140c‧‧‧生物晶片

150‧‧‧連接柱

160‧‧‧控制單元

170‧‧‧流體

170a、170b、170c、170d‧‧‧液滴

180‧‧‧分析光源

400‧‧‧生物晶片構裝

410‧‧‧第二電極層

500‧‧‧生物晶片構裝

510‧‧‧第二電極層

520‧‧‧介電層

600‧‧‧生物晶片構裝

V1、V2‧‧‧流動方向

第1A-1B圖繪示本發明一些實施例中生物晶片構裝的示意圖。

第2圖繪示本發明一實施例之生物晶片構裝的剖面圖。

第3A-3I圖繪示本發明一實施例之流體操作的示意圖。

第4圖繪示本發明另一實施例之生物晶片構裝的剖面圖，其包括第二電極層位於頂板中。

第5圖繪示本發明又一實施例之生物晶片構裝的剖面圖，其包括第二電極層位於底板中。

第6圖繪示本發明再一實施例之生物晶片構裝的上視圖，其包括多個生物晶片。

為使本發明之目的、特徵和優點能更清楚易懂，下文特舉出較佳實施例並配合所附圖式，對本發明之應用方式作詳細說明。然而應注意的是，本發明提供許多可供應用的發明概念，其可以多種特定型式實施。文中所舉例討論之特定實施例僅用於說明製造與使用本發明之特定方式，而非用以限制本發明之範圍。此外，在不同實施例中可能使用重複的標號或標示。這些重複僅為了簡單清楚地敘述本發明，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。

本發明中特定的元件及安排係為了簡化，而不以此為限。舉例而言，當述及第一元件形成於第二元件上時，可包括第一元件與第二元件直接接觸之情形，亦包括具有額外的元件形成在第一元件與第二元件之間，使得第一元件與第二元件並未直接接觸之情形。

此外，根據常規的作法，圖式中各種特徵並未依比例繪示。相反地，為簡化或是方便標示，各種特徵之尺寸可能任意擴張或縮小。再者，圖中未繪示或描述之元件，可為所屬技術領域中具有通常知識者所知的形式。

此處所述之“流體”係指各種欲經由生物晶片進行純化、處理、分析…等各項作業之樣本、試劑…等各種液體。本發明所述“流體(fluid)”可為任何適宜之形式，例如：液滴(droplet)。因此，本發明所述“流體”與“液滴”可具有相同之意思或概念。

本文所述之“流體操作(fluid operation)”或“液滴操作(droplet operation)”是指對流體或液滴的任何操作行為(manipulation)，例如：設置(dispose)流體或加載(load)流體於生物晶片構裝；由流體供應源分散(dispense)出一或多份流體或液滴；分裂(split)、分離(separate)或分割(divide)流體為兩份或多份流體或液滴；在任一方向上將流體從一個位置運送到另一個位置；將兩份或多份流體或液滴合併(merge)或結合 (combine)；稀釋(dilute)流體；混合(mix)流體；攪拌(agitate)流體；使流體或液滴產生形變(deform)；本文所述之其它流體操作；及/或前述之組合。

前述“分散”、“分裂”、“分離”或“分割”流體或液滴等用語，係用以描述由一份流體中創造兩份或更多份流體或自單一液滴中創造兩個或更多個液滴。例如：“分割A液滴為B液滴及C液滴”可經由運輸部份A液滴至另一位置來達成(亦即，保留於原位置之部份A液滴為B液滴，而經運輸至另一位置之部份A液滴為C液滴)，而所產生的液滴的尺寸大小可以是相同的或不同的。

前述“合併”或“結合”流體或液滴等用語，係用以描述由兩份或更多份流體中創造一份流體或自兩個或更多個液滴中創造單一液滴。例如：“合併A液滴與B液滴”可經由運輸A液滴與B液滴接觸或運輸B液滴與A液滴接觸來達成。

本文所述“活化”一或多個電極是指改變一或多個電極之電性狀態(electrical state)以進行流體操作。

本發明提供一種生物晶片構裝及其形成方法。在此生物晶片構裝中，包括用以控制微流體運輸之構造及裝置，其可於生物晶片構裝中操作流體，並運送流體至生物晶片構裝之不同區域以進行處理或分析…等各項程序。

第1A-1B圖繪示本發明一些實施例中生物晶片構裝的示意圖。如第1A-1B圖所示，本實施例之生物晶片構裝主要包括：底板110、頂板120、流體通道130、至少一生物晶片 140、連接柱150以及控制單元160。本領域所屬技藝人士當可理解，可於生物晶片構裝上依需求設置開口以載入或移除欲處理或分析之流體。以下僅配合第1A-1B圖示例一些用以載入或移除流體之開口設計作為說明。

如第1A圖所示，於一實施例中，入口10及出口20可為設置於頂板120的孔洞，流體170可由入口10導入流體通道130，並在流體完成各項程序(例如：處理或分析)後由出口20移除流體170。於一些實施例中，更可於入口10處設置流體儲存槽(reservoir)(未繪示)作為流體供應源。

於另一實施例中，如第1B圖所示，頂板120係小於底板110，使底板110超出頂板120之區域30/40可用以載入或移除流體，例如：可將流體170裝載於區域30，並在流體完成各項程序(例如：處理或分析)後由區域40移除流體。同樣地，可於區域30設置流體儲存槽(未繪示)作為流體供應源。

為簡化圖示，以下圖示並未繪示生物晶片構裝的流體出入口設計。第2圖繪示本發明一實施例之生物晶片構裝100的剖面圖，如第2圖所示，本實施例之生物晶片構裝100主要包括：底板110、頂板120、流體通道130、至少一生物晶片140、連接柱150以及控制單元160。其中，底板110及頂板120係對向設置且彼此間隔一段距離使流體可於底板110及頂板120之間流動(即流體通道130)；至少一生物晶片140係由多個連接柱150架設於底板110上方，且生物晶片140與底板110彼此間隔一段距離使流體可流經生物晶片140與底板110之間；而控制單元160連接底板110或頂板120至少其一，以於底板110的表面上或流體通道130中操作流體170。

以下搭配第2圖更詳細地說明生物晶片構裝100之結構。如第2圖所示，於一實施例中，底板110可包括：底部基板112、第一電極層114及第一疏水層116，其中底部基板112、第一電極層114及第一疏水層116係依序設置形成層疊結構，例如：第一電極層114係設置於底部基板112之上，而第一疏水層116設置於第一電極層114上。

如第2圖所示，於一實施例中，頂板120可包括：頂部基板122及第二疏水層126，其中頂部基板122及第二疏水層126亦為依序設置形成層疊結構，例如：第二疏水層126係設置於頂部基板122之上。此外，底板110之第一疏水層116及頂板120之第二疏水層126係相向設置並具有間隙(gap)以形成流體通道130。

底部基板112及頂部基板122可為相同或不同之材質。在一些實施例中，底部基板112及頂部基板122可為任何適宜之基板，例如：玻璃基板、矽質基板、金屬基板、印刷電路板、熱可塑性基板(thermoplastic substrate)、或可撓性基板(flexible substrate)。於一實施例中，為搭配光學分析之檢測方法，底部基板112為透明基板，例如：玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、矽膠(silicone)、或環氧樹脂(epoxy)。

第一電極層114包括多個彼此分離之導電電極，例如：電極114a-114d。可經由於電極施加電壓與否(活化/去活化)以進行各項流體操作。本領域所屬技藝人士當可理解可依流體所需之承載量決定電極之形狀或尺寸大小，並可依流體所需之移動路徑決定電極之排列方式。

第一電極層114可包括任何適宜之導電材料，例如：金屬、透明導電材料或其複合材料與層疊結構。其中，金屬材料包括：錫(Sn)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)、或上述之合金；透明導電材料包括：氧化銦錫(ITO)、氧化銦鋅(IZO)、氧化鎘錫(CdTO)、氧化鋁鋅(AZO)、氧化銦錫鋅(ITZO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎘(CdO)、氧化鉿(HfO)、氧化銦鎵鋅(InGaZnO)、氧化銦鎵鋅鎂(InGaZnMgO)、氧化銦鎵鎂(InGaMgO)或氧化銦鎵鋁(InGaAlO)。於一實施例中，為搭配光學分析之檢測方法，第一電極層114係由透明導電材料所構成透明電極層。

於底部基板112上形成第一電極層114之方法包括：物理氣相沉積(PVD)，如：金屬蒸鍍或濺鍍、化學氣相沉積(CVD)、金屬有機化學氣相沉積法(MOCVD)、電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)、常壓化學氣相沉積(APCVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、高密度電漿化學氣相沉積(HDPCVD)、原子層化學氣相沉積(ALCVD)、及/或其組合。

第一疏水層116及第二疏水層126可藉由表面張力使流體170維持球形(即液滴之形式)及減少表面沾附，其可節省控制單元160操縱流體170所需之力(亦即，降低所需施加之電壓大小)。第一疏水層116及第二疏水層126可為相同或不同之材質。

在一些實施例中，第一疏水層116及第二疏水層126係獨立地為氟化疏水性塗層(fluorinated hydrophobic coating)、矽樹脂塗層(silicone coating)、或有機疏水塗層(organic hydrophobic coating)。

可經由任何適宜之方式形成第一疏水層116及第二疏水層126。例如：可將疏水材料配製成溶液，經浸塗法(dip coating)或旋塗法(spin coating)塗佈此溶液，再去除溶劑形成第一疏水層116及第二疏水層126。

如第2圖所示，於一實施例中，生物晶片140係經由多個連接柱150架設於底部基板112上方，且生物晶片140之反應區域係朝向底部基板112，使得生物晶片140之反應區域與底部基板112之間具有間隙。

生物晶片係用以處理或分析流體，本領域所屬技藝人士當可理解可依需求選擇任何適宜之生物晶片。舉例而言，生物晶片可執行樣品前處理、混合、傳輸、純化、分離、鑑定和偵測等程序。於一實施例中，生物晶片140可為基因晶片(gene chip)，例如：基因微陣列(gene microarray)、DNA晶片(DNA chip)或PCR晶片等、蛋白質晶片(protein chip)、醣晶片(carbohydrate chip)、細胞微陣列晶片(cell-based microarray)、微流體晶片(microfluidic chip)、微陣列晶片(microarray chip)或實驗室晶片(Lab-on-chip)。

連接柱150係用以架高生物晶片140，並於生物晶片140及第一電極層114間形成電性連接。透過連接柱150於生物晶片140及第一電極層114間形成電性連接可將生物晶片140偵測所得之訊號經第一電極層114傳送至外部。於一實施例中，連接柱150係穿透第一疏水層116而與第一電極層114電性連接。

連接柱150可為任何適宜之連接結構並可具有任何適宜之形狀或結構。例如，連接柱150之形狀可包括：柱狀(pillar)或球狀(ball)(例如，單一球體)；連接柱150之結構可包括：金球(Au stud)、錫球(solder ball)或凸塊(bump)。連接柱150可包括任何適宜之導電材料，例如：錫(Sn)、鉛(Pb)、銅(Cu)、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)、或上述之合金。

可經由習知之方式於底部基板112上形成連接柱150。例如：可先於第一疏水層116中形成開口露出第一電極層114，再於開口中形成連接柱150，以使連接柱150電性連接第一電極層114及生物晶片140。於一實施例中，可於連接柱150上形成保護層，以避免流體170與連接柱150發生反應。

於一實施例中，生物晶片140更固定於第二疏水層126上。可經由習知之方式將生物晶片140固定於第二疏水層126上，例如：生物晶片140係經由黏著層(未顯示)固定於第二疏水層126上，其中黏著層包括：矽膠(silicone)、環氧樹脂(epoxy)、聚丙烯酸脂(polyacrylate)、合成橡膠(synthetic resin)、或聚氨酯(PU)。

如第2圖所示，於一實施例中，生物晶片140之反應區域係朝向第一疏水層116且流體170係流經生物晶片140及底板110之間。於一實施例中，用以分析流體之分析光源180係由底板110朝生物晶片140方向照射。如上所述，為搭配光學分析之檢測方法，底部基板112及第一電極層114均由透明材料所構成，則當流體170流經生物晶片140之反應區域及底部基板 112之間時，分析光源180可穿透底部基板112及第一電極層114以進行分析。

在一些實施例中，光學分析之檢測方法可包括：發射光譜與吸收光譜分析(emission and absorption spectral analysis)或穿透與反射光譜分析(transmission and reflection spectral analysis)。在一些實施例中，光學分析之檢測方法例如為：紫外線/可見光光譜(UV-Vis spectroscopy)、紅外線光譜(IR spectroscopy)、螢光光譜(fluorescence spectroscopy)或拉曼光譜(Raman spectroscopy)。在一些實施例中，分析光源180包括：紅外光、可見光、紫外光或X光。

如第2圖所示，於一實施例中，控制單元160連接底板110之第一電極層114，以於第一方向上操作流體170。可經由控制單元160控制第一電極層114中多個彼此分離之導電電極(例如：電極114a-114d)，藉此達到操作流體170之目的。詳細而言，可經由施加電壓活化(activated)導電電極或移除電壓使導電電極去活化(deactivated)進行流體操作。

以下僅搭配第3A-3I圖示例本發明一實施例之流體操作。如第3A圖所示，可活化電極114a自流體(或液滴)供應源(未顯示)分離出液滴170a，並將其導入流體通道130中，此時液滴170a係位於電極114a上。如第3B圖所示，可依序活化電極114b並去活化電極114a使液滴170a移動至電極114b上來運輸液滴170a。如第3C圖所示，可依序活化電極114c及114d以使液滴170a更進一步往電極114c及114d延伸進入流體通道130中，此時液滴170a產生形變。接著，如第3D圖所示，在去活化電極 114b及114c後，液滴170a將移動至電極114d上。

如第3E圖所示，可重新活化電極114a自流體供應源(未顯示)分離出液滴170b。接著，如第3F圖所示，依序活化電極114b及114c使液滴170b產生形變並分佈於電極114a、114b及114c上。如第3G圖所示，在去活化電極114a及114b後，液滴170b將移動至電極114c上並接觸位於電極114d上之液滴170a，使液滴170a及液滴170b結合形成液滴170c。

如第3H圖所示，藉由上述活化/去活化電極的方式將液滴170c運輸至生物晶片140及底板110之間，並使液滴170c接觸生物晶片140之反應區域並發生反應。如第3E圖所示，在完成反應後，可運輸液滴170d離開生物晶片140，並進行後續之檢測程序。

本領域所屬技藝人士當可理解，流體可經由適當之操作分佈於一或多個電極上，並可經由設置適當尺寸大小之電極以控制與生物晶片反應之流體體積。此外，亦可施加適當之電壓大小以控制與生物晶片反應之流體體積。

應注意的是，習知之生物晶片構裝結構中，生物晶片係設置於底板表面上方(生物晶片反應區域朝向頂板)，因此需使流體提昇某一高度(例如：生物晶片之厚度)以將流體運輸至生物晶片之反應區域。然而，欲使流體向上提昇某一高度往往需要施加較大之電壓，其可能損壞生物晶片。相較於此，本發明之生物晶片構裝使用連接柱架高生物晶片，且生物晶片之反應區域係朝向底板，故當流體流經生物晶片及底板之間時即可與反應區域進行反應。如此一來，流體可僅於平面上流動，不需改變其流動之水平高度，其可避免損壞晶片，亦有助於控制流體經過反應區域之平穩度。

第4圖繪示本發明另一實施例之生物晶片構裝400的剖面圖。生物晶片構裝400係大致相同於生物晶片構裝100，其差異在於：頂板120中更包括第二電極層410。

請參照第4圖，於一實施例中，第二電極層410係設置於頂部基板122及第二疏水層126之間，且控制單元160更連接第二電極層410，以於第二方向上操作流體170。於一實施例中，第一方向係不同於第二方向，例如：第一方向係垂直於第二方向。

第5圖繪示本發明又一實施例之生物晶片構裝500的剖面圖。生物晶片構裝500係大致相同於生物晶片構裝100，其差異在於：底板110中更包括第二電極層510及介電層520。

請參照第5圖，於一實施例中，第二電極層510係設置於底部基板112及第一電極層114之間，並有介電層520設置於第一電極層114及第二電極層520之間，其中控制單元160更連接第二電極層510，以於第二方向上操作流體170。

第二電極層410/510大致相同於第一電極層114，其可包括相同之材料並經由相同之製程製備。於一實施例中，為搭配光學分析之檢測方法，第二電極層510係由透明導電材料所構成透明電極層。

如上第4-5圖所示，第二電極層410或510可依需求設置於頂板或底板中。亦即，第一電極層及第二電極層可共同設置於同一基板中或分別設置於不同基板中，惟兩電極層設置於同一基板中時需設置介電層於第一電極層及第二電極層之間。應注意的是，當第一電極層及第二電極層分別設置於不同基板中時(例如：生物晶片構裝400)，除了可降低操作流體所需施加之電壓大小亦可節省製造成本。

本領域所屬技藝人士當可理解，可依需求於生物晶片構裝上設置排列各項元件或生物晶片以進行流體處理或分析。以下僅配合第6圖示例一流體路徑作為說明。

第6圖繪示本發明再一實施例之生物晶片構裝的上視圖，其包括多個生物晶片。如第6圖所示，生物晶片構裝600包括三個生物晶片140a-140c，可經控制單元及生物晶片構裝中之第一電極層及第二電極層操作流體流經生物晶片140a-140c。例如：可經控制單元及生物晶片構裝中之第一電極層操作流體沿第一方向V1運輸，使流體流經生物晶片140a；接著，經控制單元及生物晶片構裝中之第二電極層操作流體沿第二方向V2運輸，使流體流經生物晶片140b；最後，再經控制單元及生物晶片構裝中之第一電極層操作流體沿第一方向V1運輸，使流體流經生物晶片140c。於一實施例中，第一方向V1為X方向，第二方向V2為Y方向，且第一方向V1係垂直於第二方向V2。

本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明之範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。