TWI579564B - Microfluidic transmission and detection of the wafer structure of biological samples - Google Patents

Description

微流傳送及檢測生物檢體之晶片結構

本發明係一種生物檢體之檢測結構，尤指一種微流傳送及檢測生物檢體之晶片結構，以期大幅簡化該晶片結構之製程，令其能在無需透過極精密設備及極繁複製程之前提下，快速量產出具備精準且理想之微流通道。

一般言，生物晶片(biochip)依功能可分為二種，分別為感測型晶片與微處理型晶片，其中，感測型晶片上種植有不同的生物探針，該生物探針可為基因片段、短鏈核酸，以形成基因晶片，若該生物探針為蛋白質，則形成蛋白質晶片，近年來，尚開發出其他類型之生物感測型晶片，如：酵素晶片用以取代以試管進行生物化學反應；微處理型晶片則是將檢體前處理程序或分析程序在一微小化的空間進行，視晶片用途已有檢體前處理晶片、毛細管電泳分析(capillary electrophoresis，簡稱CE)晶片及多功能處理晶片(Lab-on-a-Chip)等。

由於，本發明係就生物感測型晶片之應用，進行研發，茲僅以其中之蛋白質晶片為例，說明如下。按，請參閱第1圖所示，蛋白質晶片10是以蛋白質、抗原或抗體作為生物探針，固定在一基板12上，以形成該蛋白質晶片10，並藉該蛋白質晶片10上抗原與抗體之間的專一性質，來檢測特定蛋白質檢體，如：用來檢驗某些疾病中特殊抗原抗體的濃度，作為疾病的診斷依據，其製作原理係先將第一級抗體20作為生物探針，固定在該基板12之頂面上，然後，加入待測檢體，令該待測檢體中的特定抗原21與該第一級抗體20相結合，接著，加入第二級抗體22，且令該第二級抗體22與第一級抗體20-特定抗原21的結合物相結合；此時，由於，該第二級抗體22的一端已先固定了特定螢光酵素23，因此，待測檢體中的 特定抗原21就會被該結合物末端的特定螢光酵素23所催化，而釋放出或轉換成有色物，嗣，利用特定螢光燈照射該蛋白質晶片10表面，就能根據螢光顯影之範圍大小及螢光強弱，量測出待測檢體中所含特定抗原21的濃度，因此，此種蛋白質晶片10能檢測出特定蛋白質檢體中是否含有可與該蛋白質晶片10上之第一級抗體20相結合的抗原21及其濃度。

此外，為使檢體中所含抗原21能充分地螢光酵素所催化，而釋放出或轉換成有色物，該蛋白質晶片10均係被安裝在一微流體(micro flow)結構中，以形成一微流傳送及檢測檢體之生物晶片(micro flow-through sampling chip)結構，請參閱第2圖所示，該生物晶片結構A包括一底板31、一蛋白質晶片10及一蓋板41，其中，請參閱第3a圖所示，該底板31之製作過程係在玻璃或高分子塑膠製成之一基板30之頂面先均勻披覆一層負型(或正型)感光性樹脂32；接著，以一具有微流通道圖樣331之光罩33遮蔽該負型(或正型)感光性樹脂32，並對該負型(或正型)感光性樹脂32進行顯影，俟該負型(或正型)感光性樹脂32顯影硬化後，去除其上未顯影硬化之部份，即會在已硬化之該負型(或正型)感光性樹脂32中形成一微流通道圖樣321；嗣，對該基板30之上表面對應於該微流通道圖樣321之部位，反覆進行蝕刻，俟蝕刻該基板30之上表面達預定之深度後，去除硬化之該負型(或正型)感光性樹脂32，即能在該基板30之上表面形成一微流通道311；最後，在該基板30上對應於該微流通道311路徑之位置，開設一晶片安裝孔312，且在該晶片安裝孔312內安裝一蛋白質晶片10後，即形成該底板31。

請參閱第3b圖所示，該蓋板41之製作過程則係在另一基板40上鑽設至少二貫穿孔，其中，一貫穿孔為檢體入口411，另一貫穿孔則為檢體出口412，即形成該蓋板41；最後，復請參閱第2圖所示，將該底板31之頂面與該蓋板41之底面相互黏接或熔接成一體，且令該檢體入口411及檢體出口412分別對應於該微流通道311之兩端，並分別與該微流通道311相連通，即製成一微流傳送及檢測檢體之生物晶片結構A。

如此，復請參閱第1及2圖所示，當一待測檢體被加壓導入至該檢體入口411後，該待測檢體即能沿著該微流通道311，依序流經該蛋 白質晶片10之頂面，使該待測檢體中所含特定抗原21能在該蛋白質晶片10上充分地被特定螢光酵素23所催化，而釋放出或轉換成有色產物，並藉由對該蛋白質晶片10照射特定螢光，即能據以檢測出該待測檢體中是否含有能與該蛋白質晶片10上第一級抗體20相結合的抗原21及其濃度。

惟，由於該微流通道311之深度極淺，僅數十至數百微米，因此，無論以前述蝕刻方式，或其它射出成型方式，若非使用極為精密的設備及透過繁複的製程，顯然無法在該底板31頂面上製作出理想之微流通道311，反之，透過精密設備及繁複製程，卻只是導致目前該種微流傳送及檢測檢體之生物晶片結構A的製造成本及市場售價始終居高不下之主要原因。

雖然，亦有業者試圖透過在一傳統矽膠乾膜上，先成形出所需之微流通道，再將該矽膠乾膜組裝至一底板及一蓋板間，以形成另一種類型之生物晶片結構，但是，由於傳統矽膠乾膜在厚度極薄之狀態下，不僅極為柔軟而不易定形，導致在對其進行微流通道加工的過程中，經常無法維持該微流通道之精準度，或在將其組裝至該底板及蓋板間的過程中，必需使用液態黏膠，而發生黏膠溢流堵塞微流通道之瑕疵，造成該種生物晶片結構始終效能不彰。

據此，如何設計出一種微流傳送及檢測生物檢體之晶片結構，以大幅減化製程，且在無需透過極精密設備及極繁複製程之情形下，能在該底板31頂面製作出精準且理想之微流通道311，即成為本發明在此亟欲解決的重要問題。

本發明之一目的，係提供一種微流傳送及檢測生物檢體之晶片結構，該晶片結構包括一底板、一生物晶片、一蓋板及一第一矽膠乾膜，其中，該底板係由玻璃或高分子塑膠製成之板體，該底板之頂面開設有一晶片安裝孔；該生物晶片係安裝在該晶片安裝孔內，該生物晶片之頂面係與該底板之頂面齊平，且其上植有複數個生物探針；該蓋板亦係由玻璃或高分子塑膠製成之板體，該蓋板上開設有至少一檢體入口及一檢體出口，該檢體入口及檢體出口係分別貫穿該蓋板之頂面及底面；該第一矽膠乾膜 係由矽膠與芳香族碳氫化合物(Aromatic Hydrocarbon)聚合而成之一低楊氏模組且耐熱之聚合物(low Young's modulus and heat-resistant polymer)製成，且具有低溫固化、高溫溶融及高溫交鏈作用(cross linking)的特性，因此，能在該第一矽膠乾膜處於低溫固化狀態下，在其內精準地開設至少一微流通道，該微流通道係貫穿該第一矽膠乾膜之頂面及底面，該微流通道之深度等於該第一矽膠乾膜之厚度，嗣，該第一矽膠乾膜即能藉熱烘烤，高溫溶融，且藉高溫產生交鏈作用(cross linking)，精準地交鏈固著在該底板之頂面及該蓋板之底面間，以使三者膠合成一體，且使該微流通道之兩端分別對應於該檢體入口及該檢體出口，而能分別與該檢體入口及該檢體出口相連通，且令該微流通道之路徑能對應於該晶片安裝孔。如此，當一待測生物檢體被加壓導入至該檢體入口後，該生物檢體即能沿著該微流通道，依序流經該生物晶片之頂面，使該生物檢體中所含特定抗原能在該生物晶片上充分地被特定螢光酵素所催化，而釋放出或轉換成有色產物，嗣，藉由對該生物晶片照射特定螢光，即能據以檢測出該生物檢體中是否含有能與該生物晶片上第一級抗體相結合的抗原及其濃度。

本發明之另一目的，係該蓋板(或該底板)上尚包括一閘孔及一第二矽膠乾膜，其中，該閘孔係貫穿該蓋板之頂面及底面，且對應於該微流通道之路徑；該第二矽膠乾膜係由矽膠聚合物製成，具有高溫溶融的特性，其上對應於該檢體入口及該檢體出口之位置分別貫穿有一通孔，該第二矽膠乾膜係藉熱烘烤，高溫溶融後固著在該蓋板之底面與該第一矽膠乾膜之頂面間(或溶融固著在該底板之頂面與該第一矽膠乾膜之底面間)。如此，當一加壓空氣被導入至該閘孔後，該第二矽膠乾膜對應於該閘孔之部位即會朝該微流通道之方向變形，以遮蔽該微流通道之路徑，進而使該微流通道路徑中之該生物檢體停止流動或減緩流動速度，以令該生物檢體與該生物晶片間能充分地發生生化反應。

為便 貴審查委員能對本發明之技術、結構特徵及其目的有更進一步的認識與理解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下：

〔習知〕

10‧‧‧蛋白質晶片

12、30、40‧‧‧基板

20‧‧‧第一級抗體

21‧‧‧抗原

22‧‧‧第二級抗體

23‧‧‧螢光酵素

31‧‧‧底板

311‧‧‧微流通道

312‧‧‧晶片安裝孔

32‧‧‧感光性樹脂

321、331‧‧‧微流通道圖樣

33‧‧‧光罩

41‧‧‧蓋板

411‧‧‧檢體入口

412‧‧‧檢體出口

A‧‧‧生物晶片結構

〔本發明〕

10‧‧‧生物晶片

50‧‧‧底板

51‧‧‧第一晶片安裝孔

60‧‧‧蓋板

61‧‧‧檢體入口

62‧‧‧檢體出口

63‧‧‧第二晶片安裝孔

64‧‧‧閘孔

70‧‧‧第一矽膠乾膜

71‧‧‧微流通道

80‧‧‧第二矽膠乾膜

81、82‧‧‧通孔

B‧‧‧晶片結構

第1圖係習知生物晶片與抗原間生化反應之示意圖；第2圖係習知微流傳送及檢測檢體生物晶片結構之分解示意圖；第3a及3b圖係習知微流傳送及檢測檢體生物晶片結構之製程示意圖；第4圖係本發明之一較佳實施例之分解示意圖；第5圖係第一矽膠乾膜之分子結構示意圖；第6圖係第4圖所示較佳實施例之組立結構之B-B剖面示意圖；及第7圖係本發明之另一較佳實施例之組立結構之剖面示意圖。

在本發明之一最佳實施例中，係提供一種微流傳送及檢測生物檢體之晶片結構，請參閱第4圖所示，該晶片結構B包括一底板50、一第一生物晶片10、一蓋板60及一第一矽膠乾膜70，其中，該底板50係由玻璃或高分子塑膠製成之板體，該底板50之頂面開設有一第一晶片安裝孔51；該第一生物晶片10係安裝在該第一晶片安裝孔51內，該第一生物晶片10之頂面係與該底板50之頂面齊平，且其上植有複數個生物探針；該蓋板60亦係由玻璃或高分子塑膠製成之板體，該蓋板60上開設有至少一檢體入口61及一檢體出口62，該檢體入口61及檢體出口62係分別貫穿該蓋板60之頂面及底面；該第一矽膠乾膜70係由矽膠與芳香族碳氫化合物(Aromatic Hydrocarbon)聚合而成之一低楊氏模組且耐熱之聚合物(low Young’s modulus and heat-resistant polymer)製成，其楊氏模組值介於0.01~0.1GPa(Gpa，十億帕斯卡)或1,500-15,000lbf/in²(lbf/in²，磅力每平方英吋)，相當於橡膠之材料硬度及彈性，且具有低溫固化、高溫溶融及高溫交鏈作用(cross linking)的特性，其分子結構如第5圖所示。如此，即能在該第一矽膠乾膜70處於低溫固化狀態下，精準地在其內開設至少一微流通道71，該微流通道71係貫穿該第一矽膠乾膜70之頂面及底面，該微流通道71之深度等於該第一矽膠乾膜70之厚度，嗣，該第一矽膠乾膜70係藉熱烘烤，高溫溶融，且藉高溫所產生之交鏈作用(cross linking)，精準地交鏈固著在該底板50之頂面及該蓋板60之底面間，以使三者膠合成一體，嗣，該微流通道71之兩端能分別對應於該檢體入口61及該檢體出口62，且能分別與該檢體入口61及該檢體出口62相連通，該微流通道71之路徑則能 對應於該第一晶片安裝孔51。

在此需特別一提者，在前述實施例中，由於該第一矽膠乾膜70係由矽膠與芳香族碳氫化合物聚合而成之低楊氏模組的耐熱聚合物製成，具有低溫固化、高溫溶融及高溫交鏈作用的特性，因此，當該聚合物中含感光性材料時，即能在低溫固化的狀態下，以光罩曝光及顯影方式，在該第一矽膠乾膜70上，精準地形成該微流通道71；反之，當該聚合物中不含感光性材料時，亦能在低溫固化的狀態下，以雷射或刀具裁切方式，在該第一矽膠乾膜70上，精準且快速地形成該微流通道71；嗣，在低溫固化的狀態下，將該第一矽膠乾膜70精準地置放在該底板50及蓋板60之間；接著，透過加熱烘烤，即能令該第一矽膠乾膜70之表面溶融且精準地交鏈固著至該底板50及蓋板60，且在該底板50及蓋板60間形成精準且理想之微流通道71，供傳輸該生物檢體，令該生物檢體能與該生物晶片10充分地發生生化反應。

如此，請參閱第6圖所示，係第4圖所示較佳實施例之組立結構顏B-B剖面線之剖面示意圖，當一待測生物檢體被加壓導入至該檢體入口61後，該生物檢體即能沿著該微流通道71，依序流經該第一生物晶片10之頂面，使該生物檢體中所含特定抗原能在該第一生物晶片10上充分地被特定螢光酵素所催化，而釋放出或轉換成有色產物，嗣，藉由對該第一生物晶片10照射特定螢光，即能據以檢測出該生物檢體中是否含有能與該第一生物晶片10上第一級抗體相結合的抗原及其濃度。

以上所述，僅為本發明之一較佳實施例，惟，本發明在實際施作時，並不侷限於此。按，凡相關技術領域之人士，在參酌本發明之技術內容後，若欲更精準地檢測該生物檢體中是否含有特定抗原及其濃度，尚能在該蓋板60上增設一第二晶片安裝孔63及一第二生物晶片10，其中，該第二晶片安裝孔63係開設在該蓋板60之底面，且對應於該微流通道71之路徑；該第二生物晶片10係安裝在該第二晶片安裝孔63內，其底面係與該蓋板60之底面齊平，且其底面上植有複數個生物探針。如此，當該生物檢體沿著該微流通道71，流經該第二生物晶片10之底面時，該生物檢體中所含特定抗原即能在該第二生物晶片10上充分地被特定螢光酵素所催 化，而釋放出或轉換成有色產物，嗣，藉由對該第二生物晶片10照射特定螢光，即能據以檢測出該生物檢體中是否含有能與該第二生物晶片10上第一級抗體相結合的抗原及其濃度。據此，綜合該第一及二生物晶片10所測得之數據，即能更精準地判斷出該生物檢體中是否含有能與該等生物晶片10上第一級抗體相結合的抗原及其濃度。

另，在本發明之實際施作過程中，該第一晶片安裝孔51亦能被設計成貫穿該底板50之頂面及底面，俾據以調整該第一生物晶片10之安裝位置，以確保該第一生物晶片10之頂面能與該底板50之頂面齊平；同理，該第二晶片安裝孔63亦能被設計成貫穿該蓋板60之頂面及底面，俾據以調整該第二生物晶片10之安裝位置，以確保該第二生物晶片10之底面能與該蓋板60之底面齊平，進而確保該生物檢體能與該生物晶片10間發生正確的生化反應。

在本發明之另一最佳實施例中，請參閱第7圖所示，為了能使該微流通道71路徑中流動之該生物檢體暫停流動或減緩流速，以期該生物檢體與該生物晶片10間能發生充分的生化反應，該蓋板60上尚包括一閘孔64及一第二矽膠乾膜80，其中，該閘孔64係貫穿該蓋板60之頂面及底面，且對應於該微流通道71之路徑；該第二矽膠乾膜80亦係由矽膠聚合物(Silicone Polymer)製成，具有高溫溶融的特性，其上對應於該檢體入口61及該檢體出口62之位置分別貫穿有一通孔81、82，該第二矽膠乾膜80能藉熱烘烤，溶融固著在該蓋板60之底面與該第一矽膠乾膜70之頂面間。如此，在檢測過程中，若檢測人員欲延長該生物檢體與該生物晶片10間發生生化反應之期間，即能將一加壓空氣導入至該閘孔64，此時，該第二矽膠乾膜80對應於該閘孔64之部位(如第7圖中虛線所示)即會因自身彈性，朝該微流通道71之方向變形，以遮蔽該微流通道71之路徑，進而使該微流通道71路徑中之該生物檢體停止流動或減緩流動速度，令該生物檢體能與該生物晶片10發生充分的生化反應。

茲需特別聲明者，該第二矽膠乾膜80無論是否與該第一矽膠乾膜70為相同之矽膠聚合物，只要令該第二矽膠乾膜80在受熱烘烤後，其表面能溶融固著在該蓋板60之底面與該第一矽膠乾膜70之頂面間者， 均係本發明在此所謂之矽膠聚合物。此外，在本發明之其它實施例(圖中未示)中，該閘孔及第二矽膠乾膜亦能視實際需求，被設計在該底板50上，其中，該閘孔係貫穿該底板50之頂面及底面，且對應於該微流通道71之路徑；該第二矽膠乾膜上對應於該檢體入口61及該檢體出口62之位置分別貫穿有一通孔，該第二矽膠乾膜係藉熱烘烤，溶融固著在該底板50之頂面與該第一矽膠乾膜70之底面間。

以上所述，僅為本發明之若干實施例，本發明之技術特徵並不侷限於此，凡相關技術領域之人士，在參酌本發明之技術內容後，所能輕易思及的等效變化，均應不脫離本發明之保護範疇。

10‧‧‧生物晶片

50‧‧‧底板

51‧‧‧第一晶片安裝孔

60‧‧‧蓋板

61‧‧‧檢體入口

62‧‧‧檢體出口

70‧‧‧第一矽膠乾膜

71‧‧‧微流通道

B‧‧‧晶片結構

Claims (8)

1. 一種微流傳送及檢測生物檢體之晶片結構，包括：一底板，其頂面開設有一第一晶片安裝孔；一第一生物晶片，係安裝在該第一晶片安裝孔內，其頂面係與該底板之頂面齊平，且其頂面上植有複數個生物探針；一蓋板，其上開設有至少一檢體入口及一檢體出口，該檢體入口及檢體出口係分別貫穿該蓋板之頂面及底面；及一第一矽膠乾膜，係由矽膠與芳香族碳氫化合物聚合而成之一低楊氏模組的耐熱聚合物製成，其楊氏模組值介於0.01~0.1GPa，且具有低溫固化、高溫溶融及高溫交鏈作用的特性，在低溫固化的狀態下，於其內開設至少一微流通道，該微流通道係貫穿該第一矽膠乾膜之頂面及底面，該微流通道之深度等於該第一矽膠乾膜之厚度，該第一矽膠乾膜係藉熱烘烤，溶融且交鏈固著在該底板之頂面及該蓋板之底面間，以使三者結合成一體，且令該微流通道之兩端分別對應於該檢體入口及該檢體出口，且分別與該檢體入口及該檢體出口相連通，該微流通道之路徑則對應於該第一晶片安裝孔。
2. 如請求項1所述之晶片結構，其中，該蓋板上尚包括：一第二晶片安裝孔，係開設在該蓋板之底面，且對應於該微流通道之路徑；及 一第二生物晶片，係安裝在該第二晶片安裝孔內，其底面係與該蓋板之底面齊平，且其底面上植有複數個生物探針。
3. 如請求項2所述之晶片結構，其中，該第一晶片安裝孔係貫穿該底板之頂面及底面。
4. 如請求項3所述之晶片結構，其中，該第二晶片安裝孔係貫穿該蓋板之頂面及底面。
5. 如請求項4所述之晶片結構，其中，當該第一矽膠乾膜中含感光性材料時，能在低溫固化的狀態下，以光罩曝光及顯影方式，在該第一矽膠乾膜上，形成該微流通道。
6. 如請求項4所述之晶片結構，其中，當該第一矽膠乾膜中不含感光性材料時，能在低溫固化的狀態下，以雷射或刀具裁切方式，在該第一矽膠乾膜上，形成該微流通道。
7. 如請求項1、2、3、4、5或6所述之晶片結構，其中，該蓋板上尚包括：一閘孔，係貫穿該蓋板之頂面及底面，且對應於該微流通道之路徑；及一第二矽膠乾膜，係由矽膠聚合物製成，具有高溫溶融的特性，其上對應於該檢體入口及該檢體出口之位置分別貫穿有一通孔，該第二矽膠乾膜係藉熱烘烤，溶融固著在該蓋板之底面與該第一矽膠乾膜之頂面間。
8. 如請求項1、2、3、4、5或6所述之晶片結構，其中，該底板上尚包括： 一閘孔，係貫穿該底板之頂面及底面，且對應於該微流通道之路徑；及一第二矽膠乾膜，係由矽膠聚合物製成，具有高溫溶融的特性，其上對應於該檢體入口及該檢體出口之位置分別貫穿有一通孔，該第二矽膠乾膜係藉熱烘烤，溶融固著在該底板之頂面與該第一矽膠乾膜之底面間。