TWI623744B - 生物晶片之滴定模組及其滴定測試設備 - Google Patents

生物晶片之滴定模組及其滴定測試設備 Download PDF

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Abstract

本發明係有關於一種生物晶片之滴定模組及其滴定測試設備，該生物晶片之滴定模組包括有一基座、複數滴定單元、複數管路、一移載單元及一控制單元。其中，複數滴定單元及複數管路設置於基座之上方，每一滴定單元之下端設置有相互連通之一針件及一儲筒；移載單元設置於基座上，包括有一驅動裝置可選擇式驅動複數滴定單元及複數管路橫向左右、前後移動及縱向上下移動；控制單元電連接移載單元，可用以控制移載單元選擇式切換驅動複數滴定單元及複數管路。藉此，本發明利用移載單元對複數滴定單元與複數管路作不同切換，將不同的測試流體滴入生物晶片，可有效提升測試速度。

Description

生物晶片之滴定模組及其滴定測試設備
本發明係關於一種生物晶片之滴定模組及其滴定測試設備，尤指一種適用於在測試液環境下進行檢測之生物晶片之滴定模組及其滴定測試設備。
本發明所述之生物晶片係為一種搭載有生物感測器(Bio-Sensor)之晶片結構，該生物感測器係為使用固定化生物分子之結合換能器，用來偵測生體內或生體外的環境化學物質或與之起特異性交互作用後產生回應的一種裝置。其中，生物感測器之應用層面相當廣泛，例如：可利用離子感測場效應之原理檢測尿素，或針對過敏原、酵素、微生物、細胞等進行生物檢測，又或者對於土壤、海洋酸鹼度等環境因子進行監測分析。
本發明則將生物感測器著重於一種利用離子選擇性場效電晶體(Ion Sensitive Field Effect Transistor,ISFET)之半導體離子感測器，其應用金屬氧化物半導體場效電晶體(簡稱：金氧半場效電晶體；英語：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，縮寫：MOSFET)的原理，將其閘極金屬去除，改為選用絕緣感測膜(SiO2)直接與測試液接觸，並以電極對測試液進行電解，測試液中的待測離子會 與絕緣感測膜吸附反應產生通道。因此，生物感測器必須保持在與測試液接觸的環境下進行測試方可達到效果，故對於測試液裝載的方式於過去文獻中有多種設計方式，習知技術如美國專利公開號第US2014/0239986號專利案，其直接將探針卡(probe card)內部設有擋水部(Fluid Well)，使得當生物感測器與探針卡接觸時，會形成密閉的通道，藉以將測試流體輸入至生物感測器之測試區內。然而，所述方式無法適用於各類型之探針卡，必須利用特製化的擋水部進行測試液的隔絕與裝載，缺乏元件之相容性；此外，其也不能作不同測試流體之更換、廢液回收及電解電極等，故於使用上仍有很大的改進空間。
發明人緣因於此，本於積極發明創作之精神，亟思一種可以解決上述問題之「生物晶片之滴定模組及其滴定測試設備」，幾經研究實驗終至完成本發明。
本發明之主要目的係在提供一種生物晶片之滴定測試設備，利用生物晶片之滴定模組結合一測試頭及一針測機，可有效整合成為一自動化滴定測試設備，將測試結果即時傳遞。
本發明之另一目的係在提供一種生物晶片之滴定模組，利用多個滴定單元及管路作不同切換，將不同的測試流體滴入生物晶片，可有效提升測試速度。
為達成上述目的，本發明之生物晶片之滴定模組包括有一基座、複數滴定單元、複數管路、一移載單元及一控制單元。其中，複數滴定單元及複數管路設置於基座之上方，每一滴定單元具有相互連通之一針件及一儲筒；移載單元設置於基座上，移載單元連接複數滴定單元 及複數管路，移載單元包括有一驅動裝置可選擇式驅動複數滴定單元及複數管路橫向左右、前後移動及縱向上下移動；控制單元電連接移載單元，可用以控制移載單元選擇式切換驅動複數滴定單元及複數管路。藉此，本發明利用移載單元對複數滴定單元與複數管路作不同切換，將不同的測試流體滴入生物晶片，可有效提升測試速度。
本發明可更包括一電極單元，設置於基座之上方，驅動裝置可選擇式驅動電極單元橫向左右、前後移動及縱向上下移動，電極單元可提供電能供給，使溶液中可解離出離子以便進行生物檢測。
上述複數管路之一可為一真空單元，其連接一真空裝置。藉此，當檢測完成後，可加速移除測試液體，亦可減少測試液體之殘留，大幅提高測試效率及良率。
上述複數管路之一可為一進氣單元，其連接一氣體供應裝置。藉此，可針對檢測完成後且已移除測試液體之生物晶片，再進行吹氣作業，透過壓縮氣體立即吹乾剩餘殘留測試液體，可避免測試液體流到生物晶片電極板上，造成電路短路或斷路的情形。
上述每一滴定單元之下端可具有一容液槽及一擴展外緣。藉此，除了可將足夠的測試流體保留在容液槽外，藉由擴展外緣的設置，也加長了測試液向外流出之滲漏距離，可減少測試液體會流到外界之電路板或電極上之問題。
上述每一滴定單元可更包括一定量流體控制裝置，俾藉由定量流體控制裝置控制每一滴定單元測試液體之滴定量。
上述該每一滴定單元可具有一微針陣列(micro needle array)，俾藉由微針陣列能均勻將測試液體滴入生物晶片之測試區內。
上述每一滴定單元可設置一電極，儲筒之下端設置一電極針件，用以提供電能供給。其中，電極針件可與儲筒未連通，電極針件與針件分屬個別之構件；或者，電極可藉由一導線與針件連接，使針件可提供滴定與電能供給，亦即，電極針件與針件可整合成單一構件。
此外，本發明之生物晶片之滴定測試設備包括有一針測機、一滴定模組及一測試頭。其中，針測機具有一移動載台，用以承載一生物晶片，且針測機固設有一探針卡，其位於生物晶片上方。滴定模組包括有一基座、複數滴定單元、複數管路、一移載單元及一控制單元；複數滴定單元及複數管路設置於探針卡之上方，每一滴定單元具有相互連通之一針件及一儲筒；移載單元設置於基座上，移載單元連接複數滴定單元及複數管路，移載單元具有一驅動裝置可選擇式驅動複數滴定單元及複數管路橫向左右、前後移動及縱向上下移動；控制單元電連接移載單元，用以控制移載單元選擇式切換驅動複數滴定單元及複數管路；測試頭具有一測試電路板，其電連接探針卡。藉此，可有效整合成為一自動化滴定測試設備，針對測試結果提供即時的傳遞，並能有效提升測試速度。
上述生物晶片之滴定測試設備可更包括有一監視鏡頭，設置於滴定模組之基座上，監視鏡頭用以監視每一滴定單元及複數管路與生物晶片之相對位置，俾能確認其是否精確對位。
上述生物晶片之滴定測試設備可更包括有一雷射測距儀，設置於滴定模組之基座上，用以檢測每一滴定單元及複數管路與生物晶片之相對距離，俾能確認其是否精確對位。
上述探針卡與測試頭之測試電路板之間具有一訊號線，俾能將測試結果即時傳遞。
1‧‧‧滴定模組
10‧‧‧滴定測試設備
11‧‧‧針測機
12‧‧‧移動載台
13‧‧‧測試頭
14‧‧‧測試電路板
15‧‧‧監視鏡頭
16‧‧‧雷射測距儀
17‧‧‧生物晶片
18‧‧‧訊號線
2‧‧‧基座
21‧‧‧探針卡
3A‧‧‧滴定單元
3B‧‧‧管路
311‧‧‧針件
3111‧‧‧針件
312,3121,3122,3120A,3120B‧‧‧儲筒
313‧‧‧容液槽
314‧‧‧擴展外緣
315‧‧‧微針陣列
33,33A,33B,33C‧‧‧電極單元
331,3312,3313,335,336,337‧‧‧電極
333,3341,3342‧‧‧針件
332,338,339,3315‧‧‧電極針件
34‧‧‧真空單元
35‧‧‧進氣單元
36,361,362,36A,36B‧‧‧滴定管路
37‧‧‧滴定管路
4,400,401,402,403,404‧‧‧移載單元
39‧‧‧固定架
41,42,43‧‧‧驅動裝置
5‧‧‧控制單元
6‧‧‧真空裝置
7‧‧‧氣體供應裝置
8‧‧‧定量流體控制裝置
91,92‧‧‧切換開關
911,912,921,922‧‧‧流體輸入支管
圖1係本發明第一較佳實施例之生物晶片之滴定模組之立體圖。
圖2係本發明第一較佳實施例之生物晶片之滴定單元、電極單元及管路於X軸上滑移示意圖。
圖3係本發明第一較佳實施例之生物晶片之滴定單元、電極單元及管路於Y軸上滑移示意圖。
圖4係本發明第一較佳實施例之生物晶片之滴定單元、電極單元及管路於Z軸上滑移示意圖。
圖5A係本發明第一較佳實施例之滴定單元、電極單元及管路之示意圖。
圖5B係本發明第二較佳實施例之滴定單元、電極單元及管路之示意圖。
圖6係本發明第三較佳實施例之滴定單元之示意圖。
圖7係本發明第四較佳實施例之滴定單元之示意圖。
圖8係本發明第五較佳實施例之滴定單元之示意圖。
圖9A係本發明第六較佳實施例之滴定單元及電極單元之示意圖。
圖9B係本發明第七較佳實施例之滴定單元及電極單元之示意圖
圖10A係本發明第八較佳實施例之電極單元之示意圖。
圖10B係本發明第九較佳實施例之電極單元之示意圖
圖11係本發明第一較佳實施例之生物晶片之滴定測試設備之立體圖。
圖12係本發明第一較佳實施例之生物晶片之滴定測試設備之部分剖視示意圖。
請參閱圖1係本發明第一較佳實施例之生物晶片之滴定模組之立體圖，本實施例之生物晶片之滴定模組1包括有一基座2、複數滴定單元3A、一電極單元33、複數管路3B、一移載單元4及一控制單元5。其中複數滴定單元3A、電極單元33及複數管路3B設置於基座2之上方，且移載單元4連接複數滴定單元3A、複數管路3B及電極單元33。
請參閱圖2至圖4，其分別為本發明第一較佳實施例之生物晶片之滴定單元、電極單元及管路分別於X軸、Y軸及軸Z上滑移示意圖。本實施例之移載單元4設置於基座2上，移載單元4具有三個驅動裝置41,42,43可分別驅動複數滴定單元3A、電極單元33及複數管路3B橫向左右、前後移動及縱向上下移動。如圖2所示，驅動裝置41係驅動該複數滴定單元3A、電極單元33及複數管路3B在X軸方向滑移；如圖3所示，驅動裝置42係驅動該複數滴定單元3A、電極單元33及複數管路3B在Y軸方向滑移；如圖4所示，驅動裝置43係驅動該複數滴定單元3A、電極單元33及複數管路3B在Z軸方向滑移。控制單元5電連接移載單元4，控制單元5可控制該移載單元4選擇式切換驅動該複數滴定單元3A、電極單元33及複數管路3B分別在X軸、Y軸、Z軸方向上滑移。本實施例之驅動裝置41,42,43係指伺服馬達配合螺桿所構成，也可搭配滑軌、滑塊等結構。
請參閱圖5A係本發明第一較佳實施例之滴定單元、電極單元及複數管路之示意圖，並請一併參閱圖1。在本實施例中，複數滴定單元3A係指二個滴定單元3A，其分別為二可容設不同測試液體之滴定管路36,37，每一滴定管路之36,37下端具有一針件311與一儲筒312，儲筒312可容設不同之測試流體。藉此，本發明利用移載單元4與複數滴定單 元之滴定管路36,37作位置變換，將不同的測試流體滴入待測之生物晶片17(示於圖12)，可有效提升測試速度。
此外，本實施例之複數管路3B係指二管路3B，其分別為一真空單元34及一進氣單元35。其中，真空單元34連接一真空裝置6，藉此，當檢測完成後，可加速移除生物晶片17(示於圖12)上測試液體，亦可減少測試液體殘留於生物晶片17上，大幅提高測試效率及良率。又，進氣單元35連接一氣體供應裝置7。藉此，可針對檢測完成後且已移除測試液體之生物晶片17，再進行吹氣作業，透過壓縮氣體立即吹乾剩餘殘留測試液體，可避免測試液體流到生物晶片17之電極板上，造成電路短路或斷路的情形。此外，電極單元33之電極331可提供電能供給，使得測試液體中可解離出離子以便進行生物檢測。
請參閱圖5B係本發明第二較佳實施例之滴定單元、電極單元及複數管路之示意圖，本實施例與第一實施例大致相同，其差異僅在於本實施例之二滴定管路36,37分別設有一定量流體控制裝置8，可控制測試液體之滴定量，且每一滴定管路36,37設有一切換開關91,92，切換開關91係用以切換流體輸入支管911,912，流體輸入支管911,912可容設二不同測試液體。另，切換開關92係用以切換流體輸入支管921,922，流體輸入支管921,922可容設二不同測試液體。換言之，本實施例之四支流體輸入支管911,912,921,922，其內可容設不同之測試液體，藉由切換開關91,92作切換，增進不同功能之測試液體之可更換性及便利性。
舉例而言，於測試時，控制單元5可依所選擇的測試流體，例如若是選擇流體輸入支管911內之測試液體，控制移載單元4先將滴定管路37滑移至生物晶片17(示於圖12)之上方，此時流體輸入支管911、912可分別容設不同的測試液體，因是選擇流體輸入支管911內之測試液 體，故切換開關91會開啟導通滴定管路37與流體輸入支管911，同時關閉阻斷連通流體輸入支管912之測試液體，定量流體控制裝置8則控制測試液體之滴定量，對生物晶片17進行測試。
相同的，針對不同測試項目，若是選擇流體輸入支管912內之測試液體，此時切換開關91則會開啟導通滴定管路37與流體輸入支管912，同時關閉阻斷連通流體輸入支管911之測試液體。待測試完成後，移載單元4會將滴定管路37滑移至他處，再將真空單元34滑移至生物晶片17(示於圖12)之上方，利用真空裝置6加速移除測試液體，可減少測試液體之殘留，大幅提高測試效率及良率。之後，移載單元4將真空單元34滑移至他處，再將進氣單元35滑移至生物晶片17之上方，利用氣體供應裝置7再進行吹氣作業，透過壓縮氣體立即吹乾剩餘殘留測試液體，可避免測試液體流到生物晶片17電極板上，造成電路短路或斷路的情形。藉此，第一與第二實施例之滴定模組1可利用複數滴定單元3A、複數管路3B與移載單元4作不同切換，將不同的測試流體滴入生物晶片17，可有效提升測試速度，並大幅提高測試效率及良率。
請參閱圖6係本發明第三較佳實施例之滴定單元之示意圖，並請一併參閱圖5A。本實施例之每一滴定單元3A之針件311之下端具有一容液槽313及一擴展外緣314，擴展外緣314係為在外壁之外，向四周所擴展之延伸外緣，該擴展外緣314可加長測試液體向外流出之滲漏距離。藉此，除了可將足夠的測試液體保留在容液槽313內之外，藉由擴展外緣314的設置，也加長了測試液體向外流出之滲漏距離，可減少測試液體會流到外界之電路板或電極上之問題。
請參閱圖7係本發明第四較佳實施例之滴定單元之示意圖，並請一併參閱圖5A。本實施例之每一滴定單元3A之針件311係為一微針陣 列315(micro needle array)，亦即由複數支呈矩陣排列之微針所組成，俾藉由微針陣列315能確實且均勻的將測試液體滴入生物晶片17(示於圖12)之測試區內。
請參閱圖8係本發明第五較佳實施例之滴定單元示意圖，並請一併參閱圖5A。本實施例之滴定單元3A具有一雙容置槽之儲筒3120A,3120B，可分別連接滴定管路36A,36B與針件3341,3342，滴定單元3A透過驅動裝置400移載，如此成分相同的測試液體注入雙容置槽之儲筒3120A,3120B後，可同時滴定測試液體至生物晶片17(示於圖12)上的多個特定區域，以增加測試效率。另一方面，若成分不相同的測試液體注入雙容置槽之儲筒3120A,3120B後，驅動裝置移載滴定單元3A可分階段滴定測試液體至生物晶片17，可減少測試液體交叉污染並增加測試效率。
請參閱圖9A係本發明第六較佳實施例之滴定單元及電極單元示意圖，並請一併參閱圖5A。本實施例之滴定管路361之一側設置有一電極3312，一起被移載單元401驅動滑移，滴定管路361具有儲筒3121及針件3111之外，電極3312之電極針件332也位於儲筒3121之針件3111之一側。藉此，移載單元401只需些微移動滴定管路361，即可進行測試液體之滴定與電極3312電解之測試作業，可有效提升檢測速度。
請參閱圖9B係本發明第七較佳實施例之滴定單元及電極單元示意圖，並請一併參閱圖5A。本實施例之滴定管路362內設置有一電極3313，一起被移載單元402驅動滑移，滴定管路362具有儲筒3122與針件333，與電極3313電連接之電極針件3315穿設於儲筒3122內，以將測試液體中可解離出離子以便進行生物檢測。在本實施例中，儲筒3122內的測試液體解離後，再滴定於生物晶片17(示於圖12)，如此滴定管路 362僅需透過移載單元402移動一次X軸及Y軸方向至生物晶片17，即可同時進行滴定與電極電解之測試作業，大幅提升檢測速度。
請參閱圖10A係本發明第八較佳實施例之電極單元示意圖，並請一併參閱圖5A。本實施例之滴定模組1具有二個電極單元33A,33B，電極單元33A,33B設置於移載單元403上，各電極單元33A,33B分別具有電極335,336可配合上述實施例的多個測試單元，進行電極解離的作業，藉以加速電極電解之測試作業，大幅提升檢測速度。
請參閱圖10B係本發明第九較佳實施例之電極單元單元示意圖，並請一併參閱圖5A。本實施例之電極單元33C，其上具有一電極337，並具有一固定架39可設置二個電極針件338,339，電極單元33C之固定架39連接移載單元404，藉以同時移動電極單元33C之電極針件338,339至對應的生物晶片17(示於圖12)的測試區域，藉以加速電極電解之測試作業，大幅提升檢測速度。
因此，依據本發明之精神，滴定模組1可透過多個滴定單元3A、電極單元33與複數管路3B的組合架構，可將不同的測試流體同時滴入生物晶片並電解測試液體，故本發明之滴定模組1可有效提升測試速度，並大幅提高測試效率及良率。
請參閱圖11及圖12，其分別為本發明第一較佳實施例之生物晶片之滴定測試設備之立體圖及部分剖視示意圖，並請一併參閱圖1。圖中出示一種生物晶片之滴定測試設備10，包括有一針測機11、一滴定模組1、一監視鏡頭15、一雷射測距儀16及一測試頭(Test Head)13。該生物晶片之滴定測試設備10係將前述之滴定模組1結合針測機11及測試頭13所組立而成之機台設備，故關於滴定模組1之特徵描述如前段所述，在此便不再贅述。
在本實施例中，生物晶片之滴定模組1係組設於針測機11上，而該針測機11結合滴定模組1，藉此針測機11內的移動載台12所置放的生物晶片17，可透過移動載台12調整生物晶片17之測試位置，將生物晶片17對位於針測機11上的滴定模組1與針測機1內的探針卡21，進行測試液與電性測試，且訊號線18連接探針卡21與測試頭13之測試電路板14，可針對測試訊號提供即時的傳遞及運算，以達到全自動化測試生物晶片17的目的，有效提高測試效率。
在本實施例中，滴定測試設備10之滴定模組1上設置有一監視鏡頭15及一雷射測距儀16，於測試時，監視鏡頭15及雷射測距儀16可監視對準該生物晶片17之該每一滴定單元3A、複數管路3B及電極單元33與該生物晶片17之相對位置及相對距離，俾能確認其是否精確對位。
藉此，本實施例之滴定測試設備10可有效將滴定模組1整合成為一自動化之滴定測試設備，針對測試結果提供即時的傳遞，並能有效提升測試速度，並大幅提高測試效率及良率。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

Claims (17)

  1. 一種生物晶片之滴定模組，包括：一基座；複數滴定單元，設置於該基座之上方，該每一滴定單元具有相互連通之一針件及一儲筒；複數管路，係設置於該基座之上方；一移載單元，設置於該基座上，該移載單元連接該複數滴定單元及該複數管路，其中該移載單元包括有一驅動裝置可選擇式驅動該複數滴定單元及該複數管路橫向左右、前後移動及縱向上下移動；以及一控制單元，電連接該移載單元，用以控制該移載單元選擇式切換驅動該複數滴定單元及該複數管路；其更包括一電極單元，係連接於該移載單元，用以提供電能供給，該移載單元之該驅動裝置可選擇式驅動該電極單元橫向左右、前後移動及縱向上下移動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之生物晶片之滴定模組，其中，該複數管路之一係為一真空單元，其連接一真空裝置。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之生物晶片之滴定模組，其中，該複數管路之一係為一進氣單元，其連接一氣體供應裝置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之生物晶片之滴定模組，其中，該每一滴定單元之下端具有一容液槽及一擴展外緣。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之生物晶片之滴定模組，其中，該每一滴定單元具有一微針陣列(micro needle array)。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之生物晶片之滴定模組，其中，該每一滴定單元之一側連接一電極，而該每一滴定單元及該電極設 置於該移載單元上，該電極電連接之一電極針件位於該每一滴定單元連通該儲筒與該針件之一側。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之生物晶片之滴定模組，其中，該每一滴定單元內設置一電極，該電極電連接一電極針件，而該電極與該電極針件穿設於該儲筒內。
  8. 一種生物晶片之滴定測試設備，包括：一針測機，具有一移動載台及一探針卡，該移動載台用以承載一生物晶片，該探針卡位於該生物晶片之上方；一滴定模組，包括有一基座、複數滴定單元、複數管路、一移載單元及一控制單元；該每一滴定單元具有相互連通之一針件及一儲筒；該移載單元設置於該基座上，且該移載單元連接該複數滴定單元及該複數管路，該移載單元具有一驅動裝置可選擇式驅動該複數滴定單元及該複數管路橫向左右、前後移動及縱向上下移動；該控制單元電連接該移載單元，用以控制該移載單元選擇式切換驅動該複數滴定單元及該複數管路；以及一測試頭，具有一測試電路板，其電連接該探針卡。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之生物晶片之滴定測試設備，其更包括有一雷射測距儀，設置於該滴定模組上，用以檢測該每一滴定單元及該複數管路與該生物晶片之相對距離。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之生物晶片之滴定測試設備，其更包括有一監視鏡頭，設置於該滴定模組上，用以監視該每一滴定單元及該複數管路與該生物晶片之相對位置。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之生物晶片之滴定測試設備，其更包括一電極單元，該電極單元係連接於該移載單元，用以提供 電能供給，該移載單元之該驅動裝置可選擇式驅動該電極單元橫向左右、前後移動及縱向上下移動。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之生物晶片之滴定測試設備，其中，該複數管路之一係為一真空單元，其連接一真空裝置。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之生物晶片之滴定測試設備，其中，該複數管路之一係為一進氣單元，其連接一氣體供應裝置。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之生物晶片之滴定測試設備，其中，該每一滴定單元之下端具有一容液槽及一擴展外緣。
  15. 如申請專利範圍第8項所述之生物晶片之滴定測試設備，其中，該每一滴定單元具有一微針陣列(micro needle array)。
  16. 如申請專利範圍第8項所述之生物晶片之滴定測試設備，其中，該每一滴定單元之一側連接一電極，而該每一滴定單元及該電極設置於該移載單元上，該電極電連接之一電極針件位於該每一滴定單元連通該儲筒與該針件之一側。
  17. 如申請專利範圍第8項所述之生物晶片之滴定測試設備，其中，該每一滴定單元內設置一電極，其藉由該電極電連接一電極針件，該電極與該電極針件穿設於該儲筒內。
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