TWI627991B - 自驅式微流體過濾裝置、微流體過濾裝置及微流體驅動裝置 - Google Patents

Abstract

一種自驅式微流體過濾裝置、微流體過濾裝置及微流體驅動裝置。實施例之一的自驅式微流體過濾裝置，包括一微流體過濾部、一微流體驅動部以及一連通道。實施例之一的微流體過濾部包括一第一流體收納腔、一多孔隙過濾單元以及一第二流體收納腔，且第一流體收納腔、該多孔隙過濾單元及該第二流體收納腔依序沿著一反重力之方向配置。實施例之一的微流體驅動部包括一第一腔室以及一液體吸附單元，其中，工作流體容置於第一腔室中。在實施例中，液體填入第一流體收納腔後，液體吸附單元用以吸附第一腔室中的工作流體，使第一腔室產生一負壓，驅使第一流體收納腔中的液體流往第一腔室的方向，且流經多孔隙過濾單元。

Description

自驅式微流體過濾裝置、微流體過濾裝置及微流體驅動裝置

本發明係關於一種微流體過濾裝置及微流體驅動裝置；特別關於一種自驅式微流體過濾裝置。

為了因應現在醫療上注重預防醫學、早期診斷與早期治療的需求，促使對於檢驗環境自動化、定點照護(Point of Care，POC)或近病人端檢驗(Near Patient Testing)與分子診斷之需求提高。

根據醫藥市場調查機構Kalorama Information的統計，2011年全球整體體外診斷(In Vitro Diagnostics,IVD)市值約有509億美元，心血管生物標記實驗室免疫分析試驗在2011年的市值約13億美元，預估2016年達14.5億美元，佔免疫分析試驗的10%。心血管專家型定點照護檢測(Professional POCT)在2011年的市值約5億美金，2016年預估可達6.5億美元。總計2011年心血管免疫分析超過18億美元，其中定點照護檢測(POCT)的成長率高於實驗室分析，顯示出心血管生物標記檢測對於分散式定點照護之需求及發展趨勢。

目前，血液檢體大多仍是在離心機中經過分離，被分離的檢體再另外取出至檢測儀或快篩卡匣進行檢測，由於這樣的處置方式需要個別使用分離裝置和篩檢裝置來進行，無法讓一般的使用者能快速且便利使用，過程中可能會產生檢體交叉污染的問題。

本揭露之一實施例提出一種自驅式微流體過濾裝置，其包括一微流體過濾部、一微流體驅動部以及一連通道。其中，微流體過濾部包括一第一流體收納腔、一多孔隙過濾單元以及一第二流體收納腔，且第一流體收納腔、該多孔隙過濾單元及該第二流體收納腔依序沿著一反重力之方向配置。另，微流體驅動部包括一第一腔室以及一液體吸附單元，其中，一工作流體容置於第一腔室中。連通道連通微流體過濾部的第二流體收納腔與微流體驅動部的第一腔室。第一流體收納腔包括一入口，液體由入口填入第一流體收納腔後，液體吸附單元用以吸附第一腔室中的工作流體，以使第一腔室產生一負壓，驅使第一流體收納腔中的液體流往第一腔室的方向，且流經多孔隙過濾單元。

本揭露之一實施例提出一種微流體過濾裝置，其包括一第一流體收納腔、一多孔隙過濾單元以及一第二流體收納腔。其中，該第一流體收納腔、該多孔隙過濾單元及該第二流體收納腔依序沿著一反重力之方向配置。第一流體收納腔包括一入口，液體可由入口填入第一流體收納腔，並需沿著反重力之方向流經多孔隙過濾單元至第二流體收納腔。

本揭露之一實施例提出一種微流體驅動裝置，其包括一液體容置腔室、一第一腔室連通於該液體容置腔室以及一液體吸附單元。其中，第 一腔室中容置一工作流體。液體吸附單元用以吸附第一腔室中的工作流體，以使第一腔室中產生一負壓，驅使液體容置腔室中的液體往第一腔室的方向流動。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100、100’‧‧‧微流體過濾裝置

100B、100B’‧‧‧結構本體

100U‧‧‧上板

100D‧‧‧下板

100M‧‧‧基板

101‧‧‧血液樣品

101a‧‧‧血球

110、110’‧‧‧微流體過濾部

1101、1101’‧‧‧入口

1102、1102’‧‧‧第一流體收納腔

1103、1103’‧‧‧多孔隙過濾單元

1104、1104’‧‧‧第二流體收納腔

1104a‧‧‧操控空間

120、120’‧‧‧微流體驅動部

1201、1201’‧‧‧工作流體

1202、1202’‧‧‧第一腔室

1202I‧‧‧工作流體注入孔

1203、1203’‧‧‧分隔單元

1204、1204’‧‧‧液體吸附單元

1204O‧‧‧微透氣孔

130、130’‧‧‧連通道

圖1A為本發明一實施例之微流體過濾裝置的側剖示意圖。

圖1B為圖1A實施例之微流體過濾裝置的局部區域放大示意圖。

圖1C至圖1E為圖1A實施例之微流體過濾裝置的運作示意圖。

圖2A為本發明一實施例之微流體過濾裝置的俯視示意圖。

圖2B為圖2A實施例之微流體過濾裝置的爆炸示意圖。

圖3為本發明一實施例之微流體過濾裝置的俯視示意圖。

圖4A為本發明又一實施例之微流體過濾裝置的俯視示意圖。

圖4B為沿著圖4A之A-A’線的剖視示意圖。

圖1A為本發明之一實施例之微流體過濾裝置100的側剖面示意圖。圖1B為圖1A實施例之微流體過濾裝置100的局部區域放大示意圖。請先參照圖1A，本實施例之微流體過濾裝置100包含結構本體100B。在此實施例中，結構本體100B例如為片狀本體，但本發明不以此為限。微流體 過濾裝置100的結構本體100B至少可區分出三種結構配置部於其中，所述三種結構配置部分別為微流體過濾部110、微流體驅動部120以及連通道130。

於圖1A之實施例中，微流體樣品例如可為血液樣品101，但本發明不限於此。血液樣品101由微流體過濾部110的入口1101輸入後，收集於微流體過濾部110中的第一流體收納腔1102。微流體過濾部110另包括多孔隙過濾單元1103及第二流體收納腔1104。至少部分區域之第一流體收納腔1102、多孔隙過濾部1103及至少部分區域之第二流體收納腔1104由下往上依序配置於微流體過濾部110，例如圖1B之實施例中第一流體收納腔1102之區域A、多孔隙過濾部1103及第二流體收納腔1104之區域B依序沿著Z方向(即例如為反重力方向)由下往上依序配置分布。

圖1B為圖1A實施例之微流體過濾裝置100的局部區域放大示意圖，特別是微流體過濾部110中第一流體收納腔1102之區域A、多孔隙過濾部1103及第二流體收納腔1104之區域B的局部區域放大圖。由前所述可知，本實施例之第一流體收納腔1102之區域A、多孔隙過濾部1103及第二流體收納腔1104之區域B沿著反重力之方向由下往上依序配置分布。參照圖1B之實施例，由於血液中血球101a相較於血漿之比重較大的關係，在經過一小段靜置時間，血球會先沉降在第一流體收納腔1102之較低處，即血液中大部分血球會分布於第一流體收納腔1102之區域A中遠離多孔隙過濾部1103的下方區域。

請再參照圖1A之實施例，微流體驅動部120儲存工作流體1201於其中之第一腔室1202，第一腔室1202透過連通道130與微流體過濾部 110連通。微流體驅動部120另包括分隔單元1203及液體吸附單元1204，其中分隔單元1203使工作流體1201分隔於液體吸附單元1204。

圖1C至圖1D為圖1A實施例之微流體過濾裝置的運作示意圖。在使用圖1A實施例之微流體過濾裝置100時，在血液樣品101靜置於第一流體收納腔1102後，可施力於第一腔室1202，例如圖1C所繪示之施力F，驅使第一腔室1202中的工作流體1201流往液體吸附單元1204。

請再參照圖1C至圖1E，當第一腔室1202中的工作流體1201被液體吸附單元1204吸附時，第一腔室1202會因此產生負壓。由於第一腔室1202透過連通道130與微流體過濾部110的第二流體收納腔1104連通，第一腔室1202中的負壓進而可驅動微流體過濾部110之第一流體收納腔1102中的血液樣品101流經多孔隙過濾單元1103並流往第二流體收納腔1104。

由前述之圖1B可知，由於本實施例之微流體過濾部110中的第一流體收納腔1102之區域A、多孔隙過濾部1103及第二流體收納腔1104之區域B沿著反重力之方向由下往上依序配置分布，使得血液樣品101中大部分的血球因比重關係而先沉降在第一流體收納腔1102之較低處，故經後端微流體驅動部120的負壓驅動力而向上通過多孔隙過濾單元1103的血液檢體大多是比重較小的血漿。

於此實施例中，多孔隙過濾單元1103例如為內含多孔隙之過濾膜片，孔隙的孔徑建議小於或等於2微米(μm)。在一實施例中，所述多孔隙過濾膜片更可具有親水非對稱性孔隙材質，例如為血漿分離膜(Plasma Separation Membrane)，但本發明不限於此。在另一實施例中，所述非對稱 性多孔隙過濾膜片中配置靠近前述第一流體收納腔1102的孔隙孔徑較靠近前述第二流體收納腔1104的孔隙孔徑為大，可再進一步過濾出不含或較少血球含量的血漿。在本實施例，微流體過濾部110中反重力配置結構的安排，使血液樣品中大部分的血球沉降在第一流體收納腔1102而非堆積於多孔隙過濾單元1103的孔隙，可以減少或避免經過多孔隙過濾單元1103的血漿中由於血球堆積於孔隙受力破掉而造成的溶血現象。在另一實施例中，可再配合前述非對稱性多孔隙過濾膜片的孔徑配置方式，再進一步達到緩衝過濾的方式，提高過濾後之血漿成分並降低溶血現象。

在一實施例中，液體吸附單元1204例如可為多孔性吸水性纖維材質。根據達西定律(Darcy’s law)與史托克定律(Stroke’s law)流體力學模型分析，如下文之公式(一)及公式(二)所示，由於工作流體1201受到液體吸附單元1204之多孔性材質誘發出孔隙流(porous flow)，所述孔隙流產生的負壓(^△Pcapillary)進一步誘發管道內產生之管道流，根據公式二，當多孔性吸水性材質孔隙(αporous)愈小將可產生更大的流量。因此，藉由選擇液體吸附單元1204為微米等級孔隙之吸水性纖維材質，可以產生千帕(kPa)等級的驅動壓力，相較於習知僅以毛細力原理產生數百帕之驅動壓力為大。

請參照圖1E之實施例，於一些應用實施，需要分離出至少一定量之血漿檢體，以用於後端的試劑檢測。可以根據前述公式(一)設計符合需求的體積流率Qworking，並根據達西定律(Darcy’s law)與楊-拉普拉斯(Young-Laplace)壓力式，如下文公式(三)所示，選擇符合需求之液體吸附單元1204的規格，例如形狀與材料，實現可以持續產生負壓以誘發更多的管道流，產生符合設計需求量之血漿。

圖2A及圖2B分別為本發明一實施例之微流體過濾裝置100’的俯視示意圖及爆炸示意圖。請先參照圖2A，本實施例之微流體過濾部110’分布在圖2A的下半區，包括流體入口1101’、第一流體收納腔1102’、多孔隙過濾單元1103’及第二流體收納腔1104’。另，微流體驅動部120’分布在圖2A的上半區，包括工作流體1201’、放置工作流體的第一腔室1202’、分隔單元1203’以及液體吸附單元1204’。其中，圖2A實施例之上半區中的第一腔室1202’包括放置工作流體1201’的連續彎曲流道，但本發明不限於此，並且第一腔室1202’的一端透過連通道130’與下半區中的第二流體收納腔1104’連通。於此實施例中，第二流體收納腔1104’可進一步設置試紙 於其中，例如圖2A的登革熱抗原測試條，但本發明不限於此。如此，可進一步滿足快篩的需求。

請參見圖2B之實施例，分隔單元1203’係設置於放置工作流體的連續彎曲流道(第一腔室1202’)及液體吸附單元1204’之間並用以分隔工作流體1201’與液體吸附單元1204’，例如圖2B中顯示分隔單元1203’所在的虛線區域。在一實施例中，分隔單元1203’係例如為氣泡隙，該氣泡隙位於連續彎曲流道(第一腔室1202’)中靠近液體吸附單元1204’的區域，用以分隔連續彎曲流道1202’與液體吸附單元1204’，在使用此實施例之微流體過濾裝置時，該氣泡隙受前述施於第一腔室1202’的施力F而推進至液體吸附單元1204’，以進一步使第一腔室1202’與液體吸附單元1204’連通。

在另一實施例中，圖2B之實施例中的分隔單元1203’可為易受局部點施力而破孔的膜，例如：鋁箔膜。在又一實施例，分隔單元1203’亦可為一蠟栓，在使用此實施例之微流體過濾裝置時，可對分隔單元1203’的區域施加一熱處理使該蠟栓融化。

請再參照圖2B之實施例，微流體過濾裝置100’之結構本體100B’可由上板100U、下板100D夾置基板100M而構成，但本發明不以此為限。於此實施例中，基板100M包含注入孔1202I，前述的工作流體1201’可經由注入孔1202I注入至第一腔室1202’的連續彎曲流道中，但本發明並不限於此。其中，上板100U或下板100D的材料可包括聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、壓感膠、環烯烴聚合物(Cyclo olefin polymer，COP)或聚苯乙烯(polystyrene，PS)等高分子塑膠材料。所述基板100M的材料可包括聚甲基丙烯酸 甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、壓感膠、環烯烴聚合物(Cyclo olefin polymer，COP)或聚苯乙烯(polystyrene，PS)等高分子塑膠材料。在一實施例中，對應基板100M之注入孔1202I位置的上板100U中更可包含一開孔對應連通該注入孔1202I，工作流體1201’可在上板100U、下板100D及基板100M組合完成後由上板100U中前述的對應開孔注入至第一腔室1202’中。

圖3為本發明另一實施例之微流體過濾裝置的俯視示意圖。此實施例之微流體過濾裝置與前述圖2A的實施例相似，因此採用與圖2A相同或相似的元件符號表示。請參照圖3之實施例，微流體過濾部110’中的第二流體收納腔1104’可進一步包含磁性液滴控制的流道，流道用以容置一磁性液滴(未繪示)。其中，磁性液滴例如包含有磁珠以及待檢測物。於此實施例，流道係包含被分隔的複數個操控空間1104a。於此實施例，使用者可藉由操控外界磁場來控制待測物在不同的操控空間內的移動，使用者亦可視其需求而在不同的操控空間1104a容置不同的液體，藉此使用者可在不同的操控空間1104a內進行例如前處理、檢測或後處理等操作。

圖4A為本發明又一實施例之微流體過濾裝置的俯視示意圖，圖4B為沿著圖4A之A-A’線的剖視示意圖。本實施例之微流體過濾裝置的微流體過濾部與前述圖2A的實施例相似，因此採用與圖2A相同或相似的元件符號表示。請先參見圖4B，在本實施例中，分隔單元1203’可以使用相同於前述基板100M的塑膠材料，如此分隔單元1203’可例如為一塑膠薄片且與基板100M一體成型，也就是說分隔單元1203’可一體成形於結構本體100B。在本實施例中，所述一體成形於結構本體100B中的塑膠薄片之厚度 係例如不大於0.2毫米(Millimeter，mm)，但本發明並不限於此。

請再參見圖4A與圖4B之實施例，在本實施例中，液體吸附單元1204'和工作流體1201'分別放置於分隔單元1203'的上下兩側，鄰近液體吸附單元1204'之結構本體100B的部位設有一微透氣孔1204O。在使用此實施例之微流體過濾裝置時，分隔單元1203'(例如：塑膠薄片)因受力而壓破後，液體吸附單元1204'會接觸並吸附工作流體1201'，使得第一腔室1202'產生負壓進而驅動第一腔室1202'前端連通液體容置腔室(例如：第一流體收納腔或第二流體收納腔)中的檢體往第一腔室1202'的方向流動。

雖然本提案以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案，任何熟習相像技藝者，在不脫離本提案之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本提案之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (15)

1. 一種自驅式微流體過濾裝置，包含：一微流體過濾部，包含一第一流體收納腔，具有一入口，用以輸入及容置一液體；一多孔隙過濾單元，用以過濾該液體；以及一第二流體收納腔，用以容置該過濾後之液體，其中，該第一流體收納腔、該多孔隙過濾單元及該第二流體收納腔依序沿著一反重力方向配置；一微流體驅動部，包含一第一腔室，用以容置一工作流體；以及一液體吸附單元，用以吸附該工作流體；以及一連通道，用以連通該微流體過濾部的該第二流體收納腔與該微流體驅動部的該第一腔室。
2. 如申請專利範圍第1項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該微流體過濾部、該微流體驅動部及該連通道設置於一結構本體。
3. 如申請專利範圍第2項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該結構本體包括片狀本體。
4. 如申請專利範圍第1項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該多孔隙過濾單元包括一過濾膜片，該過濾膜片具有多個孔隙。
5. 如申請專利範圍第4項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該孔隙的孔徑小於或等於2微米。
6. 如申請專利範圍第4項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該過濾膜片為親水非對稱性孔隙材質。
7. 如申請專利範圍第4項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該過濾膜片中配置靠近該第一流體收納腔的該多個孔隙之孔徑大於靠近該第二流體收納腔的該多個孔隙之孔徑。
8. 如申請專利範圍第3項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該結構本體由一上板、一下板夾置一基板構成。
9. 如申請專利範圍第8項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該上板或該下板的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、壓感膠、環烯烴聚合物(Cyclo olefin polymer，COP)或聚苯乙烯(polystyrene，PS)。
10. 如申請專利範圍第8項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該基板的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmethacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、壓感膠、環烯烴聚合物(Cyclo olefin polymer，COP)或聚苯乙烯(polystyrene，PS)。
11. 如申請專利範圍第1項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該微流體驅動部更包含一分隔單元，該分隔單元 用以使該工作流體分隔於該液體吸附單元，其中該分隔單元包含氣泡隙、鋁箔膜、蠟栓或塑膠薄片。
12. 如申請專利範圍第8項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該微流體驅動部更包含一分隔單元，該分隔單元用以使該工作流體分隔於該液體吸附單元。
13. 如申請專利範圍第12項所述的自驅式微流體過濾裝置，其中該分隔單元為與該基板材質相同之一薄片，該薄片與該基板為一體成形。
14. 一種微流體過濾裝置，包含：一第一流體收納腔，具有一入口，用以輸入及容置一液體；一多孔隙過濾單元，用以過濾該液體；以及一第二流體收納腔，用以容置經該多孔隙過濾單元過濾後之該液體，其中，該第一流體收納腔、該多孔隙過濾單元及該第二流體收納腔依序沿著一反重力方向配置。
15. 一種微流體驅動裝置，包含：一液體容置腔室，用以容置一液體；一第一腔室，用以容置一工作流體，其中該第一腔室連通於該液體容置腔室；以及一液體吸附單元，用以吸附該第一腔室中的該工作流體，以使該第一腔室中產生一負壓，驅使該液體容置腔室中的該液體往該第一腔室的方向流動。