TWI586950B - 細胞分選裝置及其方法 - Google Patents

Description

細胞分選裝置及其方法

本發明是有關於一種細胞分選裝置及使用此細胞分選裝置的細胞分選方法。

醫學檢驗係利用各種醫學分析儀器來進行微粒子或分子的分析，並以分析結果來輔助生物體生理狀態的評估。若僅需對單一微粒子進行分析。則需先將包含不同微粒子的流體進行分選。若是微粒子分選的結果不佳，則將造成後續的分析受到嚴重影響而降低分析的正確性。

本發明的目的是在於提供一種細胞分選裝置及其方法，其可分離出不同的微粒子，進而利於後續微粒子之分析。

根據本發明之上述目的，提出一種細胞分選裝置，此細胞分選裝置包含光激發介電泳晶片和光源模組。光激發介電泳晶片用以對包含第一微粒子和第二微粒子的流體進行分選處理。光激發介電泳晶片包含第一導電層、一第二導電層、半導體層和通道層。第二導電層與第一導電層相對設置。半導體層設置於第一導電層上。通道層設置於第二導電層與半導體層之間。通道層定義第一通道、第二通道及第三通道，其中第一通道用以導引流體，第二通道用以導引第一微粒子，第三通道用以導引第二微粒子。第一通道、第二通道與第三通道交會於會合處。光源模組用以朝向光激發介電泳晶片投射圖案化光源，使得光激發介電泳晶片中對應圖案化光源之投射區域包含會合處。圖案化光源用以導引第一微粒子由第一通道流向第二通道且導引第二微粒子由第一通道流向第三通道。

依據本發明的一實施例，上述光源模組投射之圖案化光源之波長介於300奈米至380奈米、480奈米至550奈米與700奈米至900奈米之一範圍中。

依據本發明的又一實施例，上述光源模組包含發光元件和光調變器。發光元件用以產生光源。光調變器用以該光源轉換為圖案化光源。

依據本發明的又一實施例，上述光調變器為數位微型反射鏡元件（Digital Micromirror Device；DMD）。

依據本發明的又一實施例，上述圖案化光源為可編程（programmable）。

依據本發明的又一實施例，上述第二導電層包含注入開口、第一流出開口和第二流出開口。注入開口鄰接於第一通道的入口端，其用以使流體通過第二導電層而流入至第一通道。第一流出開口鄰接於第二通道的出口端，其用以使第一微粒子從第二通道通過第二導電層而流出至光激發介電泳晶片外。第二流出開口鄰接於第三通道的出口端，其用以使第二微粒子由第三通道通過第二導電層而流出至光激發介電泳晶片外。

依據本發明的又一實施例，上述通道層的厚度大約為40微米至60微米。

依據本發明的又一實施例，上述投射區域的尺寸大約為1.5毫米×1.5毫米。

依據本發明的又一實施例，上述細胞分選裝置更包含透鏡，其設置於光激發介電泳晶片與光源模組之間且用以增大投射區域。

根據本發明之上述目的，提出一種細胞分選方法，此細胞分選方法使用於上述細胞分選裝置且包含下列步驟。首先，將包含第一微粒子和第二微粒子的流體注入至第一通道中。接著，連續性地改變該圖案化光源，使該第一微粒子以電性驅動方式由第一通道進入至第二通道，且使第二微粒子以電性驅動方式由第一通道進入至第三通道。

以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

可被理解的是，雖然在本文可使用「第一」、「第二」和「第三」等用語來描述各種元件、零件、區域、層和/或部分，但此些用語不應限制此些元件、零件、區域、層和/或部分。此些用語僅用以區別一元件、零件、區域、層和/或部分與另一元件、零件、區域、層和/或部分。

請參照圖1，圖1繪示依據本發明實施例之細胞分選裝置100的示意圖。細胞分選裝置100包含光激發介電泳晶片110、光源模組120和透鏡130。光激發介電泳晶片110用以對包含不同微粒子的流體進行分選處理。在本文中，微粒子可以是生物細胞、空氣微粒、水中雜質或介電粉末等。若將包含第一微粒子和第二微粒子的流體注入至光激發介電泳晶片110，則光激發介電泳晶片110可藉由光源的影響而產生內部電場，使得第一微粒子和第二微粒子受到不同的介電泳力(dielectrophoresis force；DEP force)作用而移動至不同處。如此一來，流體中的第一微粒子和第二微粒子可被光激發介電泳晶片110分選出。

光激發介電泳晶片110的結構如圖2A所示。光激發介電泳晶片110包含下基板210、第一導電層220、半導體層230、通道層240、第二導電層250和上基板260。下基板210為可透光之透明基板，例如玻璃基板或塑膠基板等，但不限於此。

第一導電層220設置於下基板210上，且其包含透明導電材料，例如氧化銦錫(indium tin oxide；ITO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide；IZO)或其他類似的導電材料。

半導體層230設置於第一導電層220上，其可包含間接能隙(indirect bandgap)材料，例如矽、鍺或其他類似的材料。

通道層240設置於半導體層230上。請一併參照圖2B，圖2B繪示通道層240的平面圖。如圖2所示，通道層240定義出注入開口272、第一通道273、第一流出開口274、第二通道275、第二流出開口276和第三通道277，且第一通道273、第二通道275、第三通道277交會於會合處A。流體經由注入開口272而注入至通道層240中。第一通道273用以導引注入的流體至會合處A。若會合處A受到電場的作用而使得流體中的第一微粒子和第二微粒子往不同的方向移動，則第二通道275可導引第一微粒子經由第一流出開口274而流出至光激發介電泳晶片110外，且第三通道277可導引第二微粒子經由第二流出開口276而流出至光激發介電泳晶片110外。

第二導電層250設置於通道層240上。在此實施例中，第二導電層250和第一導電層220外接電源，使得第二導電層250與第一導電層220之間產生電場。第二導電層第一導電層220設置於下基板210上，在一些實施例中，第二導電層250為透明導電材料，例如氧化銦錫、氧化銦鋅或其他類似的導電材料。

上基板260設置於第二導電層250上，其為可透光之透明基板，例如玻璃基板或塑膠基板等，但不限於此。此外，在上基板260上具有注入接口IN和流出接口OUT1、OUT2，其中注入接口IN用以提供流體注入至注入開口272的途徑，流出接口OUT1用以提供第一微粒子由流出開口274流出至光激發介電泳晶片110外的途徑，且流出接口OUT2用以提供第二微粒子由第二流出開口276流出至光激發介電泳晶片110外的途徑。

在一些實施例中，下基板210和上基板260的厚度約為0.7毫米，第一導電層220和第一導電層250的厚度約為300奈米，半導體層230的厚度約為1微米，通道層240的厚度介於40微米與60微米之間。此外，在一些實施例中，第一通道273與第二通道275之間的夾角約為169度，第二通道275與第三通道277之間的夾角約為22度，第一通道273、第二通道275和第三通道277的寬度約為1毫米，且注入開口272、第一流出開口274和第二流出開口276的口徑約為1.1毫米。光激發介電泳晶片110中各元件的厚度、寬度及夾角等數值可根據實際需求對應調整，並不以上述數值為限。

請回到圖1，光源模組120包含發光元件122和光調變器124。發光元件122用以產生光源，其可以是例如燈泡、發光二極體或激光器等，但不限於此。光調變器124將發光元件122產生的光源轉換為圖案化光源，且將圖案化光源投射至圖2B所示之投射區域280。投射區域280在垂直投影的方向上覆蓋會合處A。在一些實施例中，投射區域280的尺寸大約為1.5毫米×1.5毫米。在一些實施例中，光調變器124為數位微型反射鏡元件（Digital Micromirror Device；DMD），且其可藉由計算機設備來改變輸出的圖案化光源，即光調變器124輸出的圖案化光源為可編程（programmable）。在一些實施例中，圖案化光源的波長介於300奈米至380奈米之間、480奈米至550奈米之間或700奈米至900奈米之間。

透鏡130設置於光激發介電泳晶片110與光源模組120之間，其用以增大光激發介電泳晶片110的投射區域。透鏡130的放大倍數可依據細胞分選裝置100的架構來決定，例如光激發介電泳晶片110與光源模組120之間的距離或光激發介電泳晶片110中通道層240的圖案等。在一些實施例中，透鏡130的放大倍數為可調整。

另外，在上基板260的上方另可設置鏡頭，使得在細胞分選裝置100進行細胞分選的操作時，使用者可藉由觀察細胞分選的情況來即時調整圖案化光源，例如面積、強度、或圖案改變速率等，或是調整流體的注入。

圖3A和3B分別繪示光激發介電泳晶片110中未受到圖案化光源的照射下及受到圖案化光源的照射下的電場分佈示意圖。如圖3A所示，在光激發介電泳晶片110中未受到圖案化光源的照射下，第一導電層220和第二導電層250之間為均勻電場，微粒子C1和C2不會受到不均勻電場的影響而往特定的方向移動。如圖3B所示，在光激發介電泳晶片110中受到圖案化光源的照射下，第一導電層220和第二導電層250之間的電場分佈產生改變，使得微粒子C1受到正介電泳力（positive DEP force）D1的作用而移動至圖案化光源的照射處，且微粒子C2受到負介電泳力(negative DEP force)D2的作用而移動至圖案化光源的照射處外。

圖4A至圖4G繪示光源模組120投射圖案化光源至投射區域280的示意圖，其包含梯狀圖案、剪刀圖案、複合圖案、T&S圖案和誘發圖案等。應注意的是，圖4A至圖4G所繪示的圖案僅為例示，而在實際的操作上，可依據各操作因素來控制光源模組120投射對應的圖案化光源至投射區域280，且投影區域280上的圖案不以圖4A至圖4G所繪示的圖案為限定。

請參照圖5，圖5繪示使用細胞分選裝置100進行細胞分選方法500的流程圖。細胞分選方法500包含下列步驟。首先，進行步驟510，將包含微粒子C1、C2的流體注入至第一通道273中。接著，進行步驟520，控制光調變器124以連續性地改變投射至投射區域280的圖案化光源，使微粒子C1以電性驅動方式由第一通道273進入至該第二通道275，且使微粒子C2以電性驅動方式由第一通道273進入至第三通道277。如此一來，可分別經由流出接口OUT1和OUT2來取得微粒子C1和C2。

以下以白血球細胞和癌症細胞(包含大腸癌細胞、肺癌細胞和乳癌細胞)的分選為例說明。圖6A和6B分別對應步驟510和步驟520，其中圖6A繪示光激發介電泳晶片110中未受到圖案化光源的照射下的微粒子分佈示意圖，而圖6B繪示光激發介電泳晶片110中受到圖案化光源的 照射下的微粒子分佈示意圖。為方便說明，在圖6A和6B中未將上基板210、下基板260和通道層240中的結構繪示出。在光激發介電泳晶片110未受到圖案化光源的照射下，如圖6A所示，癌症細胞(即微粒子C1)和白血球細胞(即微粒子C2)在通道層240中為均勻分佈。在光激發介電泳晶片110受到圖案化光源的照射下，如圖6B所示，圖案化光源的照射處具有較強電場，使得癌症細胞受到正介電泳力作用而移動至圖案化光源的照射處，且白血球細胞受到負介電泳力作用而移動至圖案化光源的照射處外。透過連續性地改變圖案化光源，癌症細胞受到電性驅動的作用而逐漸接近流出接口OUT1且最後經由流出接口OUT1流出。

綜上所述，本發明之細胞分選裝置及其方法可分離出不同的微粒子，進而利於後續微粒子之分析。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧細胞分選裝置

110‧‧‧光激發介電泳晶片

120‧‧‧光源模組

122‧‧‧發光元件

124‧‧‧光調變器

130‧‧‧透鏡

210‧‧‧下基板

220‧‧‧第一導電層

230‧‧‧半導體層

240‧‧‧通道層

250‧‧‧第二導電層

260‧‧‧上基板

272‧‧‧注入開口

273‧‧‧第一通道

274‧‧‧第一流出開口

275‧‧‧第二通道

276‧‧‧第二流出開口

277‧‧‧第三通道

280‧‧‧投射區域

500‧‧‧方法

510、520‧‧‧步驟

A‧‧‧會合處

AC‧‧‧電源

C1‧‧‧腫瘤細胞

C2‧‧‧白血球

D1‧‧‧正介電泳力

D2‧‧‧負介電泳力

IN‧‧‧注入接口

OUT1、OUT2‧‧‧流出接口

為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做之下列描述，其中： 〔圖1〕繪示依據本發明實施例之細胞分選裝置的示意圖； 〔圖2A〕繪示〔圖1〕之光激發介電泳晶片的結構圖； 〔圖2B〕繪示〔圖2A〕之通道層的平面圖； 〔圖3A〕繪示〔圖2A〕之光激發介電泳晶片中未受到圖案化光源的照射下的電場分佈示意圖； 〔圖3B〕繪示〔圖2A〕之光激發介電泳晶片中受到圖案化光源的照射下的電場分佈示意圖； 〔圖4A〕至〔圖4G〕繪示〔圖1〕之光源模組投射之圖案化光源的示意圖； 〔圖5〕繪示使用〔圖1〕之細胞分選裝置進行細胞分選方法的流程圖； 〔圖6A〕繪示〔圖2A〕之光激發介電泳晶片中未受到圖案化光源的照射下的微粒子分佈示意圖；以及 〔圖6B〕繪示〔圖2A〕之光激發介電泳晶片中受到圖案化光源的照射下的微粒子分佈示意圖。

100‧‧‧細胞分選裝置

110‧‧‧光激發介電泳晶片

120‧‧‧光源模組

122‧‧‧發光元件

124‧‧‧光調變器

130‧‧‧透鏡

Claims (9)

1. 一種細胞分選裝置，包含：一光激發介電泳晶片，用以對一流體進行分選處理，該流體包含一第一微粒子和一第二微粒子，該光激發介電泳晶片包含：一第一導電層；一第二導電層，該第二導電層係與該第一導電層相對設置；一半導體層，設置於該第一導電層上；以及一通道層，設置於該第二導電層與該半導體層之間，該通道層定義一第一通道、一第二通道及一第三通道，其中該第一通道用以導引該流體，該第二通道用以導引該第一微粒子，該第三通道用以導引該第二微粒子，且該第一通道、該第二通道與該第三通道交會於一會合處；以及一光源模組，用以朝向該光激發介電泳晶片投射一圖案化光源，使得該光激發介電泳晶片中對應該圖案化光源之一投射區域包含該會合處，且該圖案化光源用以導引該第一微粒子由該第一通道流向該第二通道且導引該第二微粒子由該第一通道流向該第三通道，其中該圖案化光源係可編程(programmable)。
2. 如申請專利範圍第1項所述之細胞分選裝置，其中該光源模組投射之圖案化光源之波長介於300奈 米至380奈米、480奈米至550奈米與700奈米至900奈米之一範圍中。
3. 如申請專利範圍第1項所述之細胞分選裝置，其中該光源模組包含：一發光元件，用以產生一光源；以及一光調變器，用以將該光源轉換為該圖案化光源。
4. 如申請專利範圍第3項所述之細胞分選裝置，其中該光調變器係一數位微型反射鏡元件(Digital Micromirror Device；DMD)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之細胞分選裝置，其中該第二導電層包含：一注入開口，鄰接於該第一通道之一入口端，該注入開口用以使該流體通過該第二導電層而流入至該第一通道；一第一流出開口，鄰接於該第二通道之一出口端，該第一流出開口用以使該第一微粒子從該第二通道通過該第二導電層而流出至該光激發介電泳晶片外；以及一第二流出開口，鄰接於該第三通道之一出口端，該第二流出開口用以使該第二微粒子由該第三通道通過該第二導電層而流出至該光激發介電泳晶片外。
6. 如申請專利範圍第1項所述之細胞分選裝置，其中該通道層之厚度大約為40微米至60微米。
7. 如申請專利範圍第1項所述之細胞分選裝置，其中該投射區域之尺寸大約為1.5毫米×1.5毫米。
8. 如申請專利範圍第1項所述之細胞分選裝置，更包含：一透鏡，設置於該光激發介電泳晶片與該光源模組之間，該透鏡用以增大該投射區域。
9. 一種細胞分選方法，該細胞分選方法使用於申請專利範圍第1至8項中任一項所述之細胞分選裝置，且該細胞分選方法包含：將一流體注入至該第一通道中，該流體包含一第一微粒子和一第二微粒子；以及連續性地改變該圖案化光源，使該第一微粒子以電性驅動方式由該第一通道進入至該第二通道，且使該第二微粒子以電性驅動方式由該第一通道進入至該第三通道。