TWI668192B - 微流道製造方法 - Google Patents

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歐奕欣
李晃銘
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Abstract

一種微流道製造方法,包含:準備一玻璃吸管,將玻璃吸管沿一重力方向垂直放置,令玻璃吸管之一中心軸線垂直於一水平面;懸掛一重物於玻璃吸管之一底部;以一加熱溫度於一加熱時間內加熱靠近重物位置附近之玻璃吸管之底部之至少一側邊;控制加熱溫度、加熱時間及重物之一重量,令玻璃吸管底部熔融軟化後,透過重物牽引拉伸而朝重力方向延伸形成一微流道,並令微流道具有大於等於104之一長度-直徑比值。

Description

微流道製造方法
本發明係關於一種微流道製造方法。更特別言之,本發明係關於一種透過加熱玻璃吸管之微流道製造方法。
微流道(Microfluidic channel)目前已受到廣泛研究及關注,特別係基於其可被廣泛應用於生物醫學檢測中之諸多領域,例如分子操控、蛋白質結晶化、生化分析、生物防禦、藥物載體操控等。簡而言之,微流道結構係用以供一流體流通於其內,藉以達到流體內微物質運輸或篩選的效果。或亦有混成多種流體於一流道內,用以觀察多種微物質反應,以達到快速運送檢測。近年來微流道結構被積極地使用於生醫領域中,例如血液中幹細胞或蛋白質的篩選檢測,而獲致良好的結果。
再者,光流體學(Optofluidics)係一種結合微流道及光學的技術。光流體學可應用於包括生物感測、晶片實驗室(lab-on-chip)、鏡片及分子成像等,因而具有發展潛力。
上述微流道之一發展趨勢,為形成高的長度-直徑比值(length-to-diameter ratio)以具有更好的與晶片實驗室的配適度。此外,微流道之材質亦因應不同狀況而有不同選擇。舉例而言,PDMS為一種柔軟、透明之材質,而被認為適合用於進行生化分析。然而,PDMS並不具有足夠之化學及熱的穩定性。為得到更好的化學、熱及機械穩定性,矽基材質及玻璃材質已被發展為製造微流道之基材。然而,基於材料本身特性,以及高的長度-直徑比值的需求,矽基材質通常透過黃光微影製程以形成所需微流道,而玻璃材質則透過飛秒雷射或化學蝕刻方式形成所需微流道。
上述以矽基材質或玻璃材質等製作微流道的製程仍過於複雜且成本高昂,故仍然需要發展製程簡易、成本低廉且具高的效率之微流道製造方法。
本發明之一目的在提供一簡易可形成具高的長度-直徑比值之微流道製造方法。更詳而言之,係透過加熱玻璃吸管之底部之至少一側邊,並於玻璃吸管底部懸掛重物,令玻璃吸管之底部熔融軟化後,可受重物牽引拉伸,朝重力方向延伸而形成微流道。因此,本發明之微流道製造方法製程簡易、成本低廉且易於施作。
於一實施方式中,本發明提供一種微流道製造方法,包含:準備一玻璃吸管,將玻璃吸管沿一重力方向垂直放置,令玻璃吸管之一中心軸線垂直於一水平面;懸掛一 重物於玻璃吸管之一底部;以一加熱溫度於一加熱時間內加熱靠近重物位置附近之玻璃之吸管底部之至少一側邊;以及控制加熱溫度、加熱時間及重物之一重量,令玻璃吸管之底部熔融軟化後,透過重物牽引拉伸而朝重力方向延伸形成一微流道,並令微流道具有大於等於104之一長度-直徑比值。
上述微流道製造方法中,透過控制加熱溫度、加熱時間及重物之重量,可令微流道之一長度可為10公分至60公分,微流道之一直徑可為1微米至20微米。
上述微流道製造方法中,玻璃吸管可具有一寬口部及一窄口部。玻璃吸管之一直徑由寬口部漸縮至窄口部。重物則懸掛於窄口部之一底部。
上述微流道製造方法中,係透過加熱窄口部之底部之至少一側邊,令窄口部之底部熔融軟化,並受重物牽引拉伸而朝重力方向延伸形成微流道。
上述微流道製造方法中,係可由窄口部之底部之一側邊進行加熱;或同時由窄口部之底部之二側邊對稱地進行加熱。
上述微流道製造方法中,微流道之一開口可呈橢圓形或正圓形。
上述微流道製造方法中,玻璃吸管材質可為一鈉鈣矽酸鹽玻璃(soda-lime silicate)。
上述微流道製造方法中,加熱時間可為0.1秒鐘至10秒鐘。
上述微流道製造方法中,加熱溫度大於玻璃吸管之熔點。
於另一實施方式中,本發明提供一種微流道製造方法,包含:準備一玻璃吸管,將玻璃吸管沿一重力方向垂直放置,令玻璃吸管之一中心軸線垂直一水平面;懸掛一重物於玻璃吸管之一底部;進行一第一加熱步驟,以一第一加熱溫度於一第一加熱時間內加熱靠近重物位置附近之玻璃吸管之底部之至少一側邊;控制第一加熱溫度、第一加熱時間及重物之一重量,令玻璃吸管之底部熔融軟化後,透過重物牽引拉伸而朝重力方向延伸形成一第一微流道;進行一第二加熱步驟,以一第二加熱溫度於一第二加熱時間內加熱靠近重物位置附近之第一微流道之一底部之至少一側邊;控制第二加熱溫度、第二加熱時間及重物之重量,令第一微流道之底部熔融軟化後,透過重物牽引拉伸而朝重力方向延伸形成一第二微流道;其中第一微流道具有大於等於104之一長度-直徑比值,第二微流道具有大於第一微流道之長度-直徑比值。
上述微流道製造方法中,玻璃吸管可具有一寬口部及一窄口部,玻璃吸管之一直徑由寬口部漸縮至窄口部。
上述微流道製造方法中,可透過第一加熱步驟及第二加熱步驟分次加熱窄口部之底部之至少一側邊及第一微流道之底部之至少一側邊,令窄口部之底部及第一微流 道之底部分次熔融軟化,並透過重物牽引拉伸而朝重力方向延伸分次形成第一微流道及第二微流道。
上述微流道製造方法中,係可由窄口部之底部或第一微流道之底部之一側邊進行加熱。
上述微流道製造方法中,可同時由窄口部之底部或第一微流道之底部之二側邊對稱地進行加熱。
上述微流道製造方法中,第一微流道具有一第一長度及一第一直徑,第二微流道具有一第二長度及一第二直徑。第二微流道之第二長度大於等於第一微流道之第一長度,第二微流道之第二直徑小於第一微流道之第一直徑。
上述微流道製造方法中,可透過控制第一加熱溫度、第二加熱溫度、第一加熱時間、第二加熱時間及重物之重量,令第一微流道之第一長度可為10公分至60公分、第一直徑可為1微米至20微米,第二微流道之第二長度可為10公分至60公分、第二直徑可為100奈米至400奈米。
110‧‧‧玻璃吸管
110a‧‧‧寬口部
110b‧‧‧窄口部
111‧‧‧第一段微流道
112‧‧‧第二段微流道
113‧‧‧第三段微流道
114‧‧‧第四段微流道
115‧‧‧第五段微流道
116‧‧‧微流道
117‧‧‧水滴
118‧‧‧微流道
120‧‧‧加熱裝置
130‧‧‧重物
140‧‧‧微流道
S‧‧‧中心軸線
F‧‧‧水平面
g‧‧‧重力方向
z‧‧‧軸
r‧‧‧徑向軸
S101、S102、S103、S104‧‧‧步驟
S201、S202、S203、S204、S205、S206‧‧‧步驟
第1圖係繪示依據本發明一實施例之微流道製造方法流程圖;第2圖係繪示依據本發明另一實施例之微流道製造方法流程圖;第3圖係繪示實施本發明之微流道製造方法之一種實體裝置示意圖; 第4圖係繪示依據第3圖中之實體裝置所製造出之微流道結構示意圖;第5圖係繪示第4圖之微流道受控而產生撓曲之立體三維結構示意圖;第6圖係繪示第4圖之微流道進行水溶液流通實驗示意圖;第7圖係繪示依據本發明之微流道製造方法中,採用一側邊加熱方式所製成之微流道之多段截面之電子顯微鏡影像比較圖;第8圖係繪示依據本發明之微流道製造方法中,採用二側邊對稱加熱方式所製成之微流道之截面之電子顯微鏡影像圖;第9圖係繪示本發明之微流道製造方法中,加熱時間對加熱溫度的影響示意圖;以及第10圖係繪示依據第2圖的微流道製造方法中,透過第二加熱步驟所形成之第二微流道之截面之電子顯微鏡影像圖。
於下列的描述中,將參照所附圖式說明本發明之具體實施例。許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而,這些實務上的細節不應該用以限制本發明。亦即,在本發明部分實施例中,這些實務上的細節是非必要的。此外,為簡化圖式起見,一些習知慣用的結構與元件在圖式中 將以簡單示意的方式繪示之;並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。
第1圖係繪示依據本發明一實施例之微流道製造方法流程圖。一實施例中,本發明之微流道製造方法可包含下列步驟:步驟S101係準備一玻璃吸管,將玻璃吸管沿一重力方向垂直放置,令玻璃吸管之一中心軸線垂直於一水平面;步驟S102係懸掛一重物於玻璃吸管之一底部;步驟S103係以一加熱溫度於一加熱時間內加熱靠近重物位置附近之玻璃吸管之底部之至少一側邊;步驟S104係控制加熱溫度、加熱時間及重物之一重量,令玻璃吸管底部熔融軟化後,透過重物牽引拉伸而朝重力方向延伸形成一微流道,並令微流道具有大於等於104之一長度-直徑比值。
為獲致更高之長度-直徑比值,對於上述微流道製造方法可再加以變化,第2圖係繪示依據本發明另一實施例之微流道製造方法流程圖。於另一實施例,本發明的微流道製造方法包含下列步驟:步驟S201係準備一玻璃吸管,將玻璃吸管沿一重力方向垂直放置,令玻璃吸管之一中心軸線垂直一水平面;步驟S202係懸掛一重物於玻璃吸管之一底部;步驟S203係進行一第一加熱步驟,以一第一加熱溫度於一第一加熱時間內加熱靠近重物位置附近之玻璃吸管之底部之至少一側邊;步驟S204係控制第一加熱溫度、第一加熱時間及重物之一重量,令玻璃吸管底部熔融軟化後,透過重物牽引拉伸而朝重力方向延伸形成一第一微流道;步驟S205係進行一第二加熱步驟,以一第二加熱溫度於一第 二加熱時間內加熱靠近重物位置附近之第一微流道之一底部之至少一側邊;步驟S206係控制第二加熱溫度、第二加熱時間及重物之重量,令第一微流道之底部熔融軟化後,透過重物牽引拉伸而朝重力方向延伸形成一第二微流道。其中,第一微流道具有大於等於104之一長度-直徑比值,第二微流道則具有大於第一微流道之長度-直徑比值。因此,透過分次加熱,逐漸增加所形成微流道之長度-直徑比值。換言之,微流道之直徑隨加熱次數增加而降低,甚至可由微米尺度降低至奈米尺度。
以下續說明實施上述微流道製造方法所使用之一種實體裝置。
第3圖係繪示實施本發明之微流道製造方法之一種實體裝置示意圖。第4圖係繪示依據第3圖中之實體裝置所製造出之微流道140結構示意圖。於一例中,首先,玻璃吸管110係可選取材質為一鈉鈣矽酸鹽玻璃(soda-lime silicate)。此玻璃吸管110於波長633nm下的相對折射率為1.52,其熔點為1040℃。於一例中,玻璃吸管110具有一寬口部110a以及一窄口部110b,而玻璃吸管110之一直徑由寬口部110a漸縮至窄口部110b。一重物130則懸掛於窄口部110b之底部。重物130之重量為150克。此種配置方式,可令玻璃吸管110沿一重力方向g垂直放置,且令玻璃吸管110之一中心軸線S垂直於一水平面F。藉此,確保重物130提供均勻之施力。加熱裝置120可由窄口部110b之底部之至少一側邊進行加熱。舉例而言,可由窄口部110b之底 部之一側邊進行加熱,此時使用設備較簡易,惟對於之後所形成微流道結構有些微影響,此將於後續段落說明之。亦可由窄口部110b之底部之二側邊對稱地進行加熱。加熱溫度為1300℃,大於玻璃吸管110之熔點1040℃。接續,於加熱約7秒至10秒後,玻璃吸管110之底部開始熔融軟化,並且可觀察到玻璃吸管110之底部受重物130牽引拉伸而瞬間快速地朝重力方向g延伸,形成微流道140。以上述方式所製成之微流道140,具有高的長度-直徑比(大於等於104),其長度可達10公分至60公分,直徑可達1微米至20微米。於此先說明,本發明中微流道140為一管體而具有一開口,而本發明中所稱之直徑,通常係指開口之內徑。
另外,第3圖亦展示了本發明加熱方式之物理模型。使用有限元素分析,可模擬出對玻璃吸管110加熱之溫度隨時間相關之變化趨勢。假設對玻璃吸管110加熱部分為均勻,三維之模型可簡化為二維對稱且沿軸z之模型。如第3圖(a)、(b)、(c)中,所展現為熱分布沿徑向軸r且隨時間之變化。於初始(t=0秒)時,設定溫度為1100℃。當經過約7至10秒的加熱後,隨即讓熱源離開玻璃吸管110,此時觀察到溫度的下降。後續將在第9圖中較為詳細說明。
第5圖係繪示第4圖之微流道140受控而產生撓曲之立體三維結構。第4圖中之微流道140,具有良好的控制性,可擴展為多維度結構。舉例而言,於第5圖中,微流道140可被撓曲環繞形成一立體三維結構。藉此,可擴展微流道140的應用領域。
第6圖係繪示第4圖之微流道140進行水溶液流通實驗示意圖。由第6圖中,可觀察到,當注入水溶液於微流道140後,直徑1.5mm的水滴117被擠壓出微流道140之一端開口。此結果顯示以本發明所揭示之微流道製造方法所製成之微流道140,確可供水溶液順暢通過,亦顯示微流道140之結構具一定之均勻性。若將水溶液取代為生物或醫藥所需之溶液,則可應用微流道140於多種不同領域,藉以擴展其應用。再更進一步,可調變微流道140之開口之表面特性,令水滴117之體積再降低至微微升(picoliter),可再進一步擴展其應用。
第7圖係繪示依據本發明之微流道製造方法中,採用一側邊加熱方式所製成之微流道之多段截面之電子顯微鏡影像比較圖。對於具高的長度-直徑比值的微流道140而言,均勻性為重要關鍵因子。一長度較長之微流道,若其均勻性不足,仍無法令液體順暢通過,易導致自微流道之出口流出之液體量遠低於自微流道之入口注入之液體量,因此導致流體量之大量減損。第7圖中,為驗證微流道140之均勻性,因此,截取長度範圍約40公分之微流道,以大約每間隔5公分截斷,分別形成第一段微流道111、第二段微流道112、第三段微流道113、第四段微流道114及第五段微流道115,並拍攝各段微流道之截面之電子顯微鏡影像。此處係採用對靠近重物130位置附近的玻璃吸管110之底部之一側邊的加熱方式。由電子顯微鏡影像分析結果,可知僅採用一側邊加熱方式時,各段微流道之直徑變化量(直 徑範圍於18微米至20微米之間變化)仍控制在相當小的誤差範圍內。須特別注意的是,各段微流道之開口之形狀,則略呈橢圓形,此係因僅採用一側邊加熱方式造成熱分布不均勻。
第8圖係繪示依據本發明之微流道製造方法中,採用二側邊對稱加熱方式所製成之微流道之截面之電子顯微鏡影像圖。第8圖中,係對玻璃吸管110之底部二側邊對稱地進行加熱,可一併參考前述第3圖中的實施例,加熱裝置120同時由窄口部110b之底部二側邊對稱地進行加熱。由第8圖之電子顯微鏡影像中,微流道116之開口之形狀呈均勻之正圓形,且開口之直徑為18微米至20微米。此結果顯示二側邊對稱加熱方式,其熱分布較為均勻,因此微流道116之開口之形狀亦較為均勻。
第9圖係繪示本發明之微流道製造方法中,加熱時間對加熱溫度的影響示意圖。第9圖繪示於加熱時間10秒過程中的溫度隨時間變化。請一併參照第3圖。初始溫度設定為1100℃。經過約5秒鐘的熱耗散後,玻璃吸管110之側邊之溫度仍大於玻璃吸管110之軟化溫度715℃。而整體藉由重物130之牽引拉伸過程非常快速,在0.35秒內即已拉伸至60公分的長度而形成如第4圖之微流道140。因此,熱耗散的速度及玻璃吸管110本身之黏度對微流道140的形成影響不大。
第10圖係繪示依據第2圖的微流道製造方法中,透過第二加熱步驟所形成之第二微流道之截面之電子顯 微鏡影像圖。本發明亦揭示可透過多次的分次加熱而降低微流道的直徑小至奈米尺度的方法。於前第7圖及第8圖中,已展示分別透過一側邊加熱或二側邊對稱地加熱,並僅加熱一次所製成之微流道140及微流道116之電子顯微鏡影像。已說明僅一次加熱即可獲得直徑均勻,且長度-直徑比值高達104之微流道。再經過如第2圖中之第二加熱步驟,則可再增加長度-直徑比值。例如將玻璃吸管110先經第一次加熱步驟形成第一微流道(例如第4圖之微流道140),再經第二次加熱步驟形成第二微流道(例如第10圖之微流道118)後,則第二微流道之第二長度將大於等於第一微流道之第一長度,第二微流道之第二直徑將會小於第一微流道之第一直徑。此時,如第10圖中所展示,微流道118之直徑已降低至350奈米,再經多次加熱後,甚至有機會達數十奈米以下。亦即,第二微流道將具有較第一微流道更高的長度-直徑比值。
綜上,本發明已提供一簡易可形成具高達104的長度-直徑比值之微流道製造方法。透過本發明之微流道製造方法所製造出之微流道具均勻之直徑,並且可低至微米甚至奈米尺度,具廣泛應用性。並且,微流道亦可受控形成立體三維結構。
雖然本發明已以實施方式揭露如上,然其並非用以限定本發明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明的精神和範圍內,當可作各種的更動與潤飾,因此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。

Claims (12)

  1. 一種微流道製造方法,包含:準備一玻璃吸管,將該玻璃吸管沿一重力方向垂直放置,令該玻璃吸管之一中心軸線垂直於一水平面;懸掛一重物於該玻璃吸管之一底部;以一加熱溫度於一加熱時間內加熱靠近該重物位置附近之該玻璃吸管之該底部之至少一側邊;以及控制該加熱溫度、該加熱時間及該重物之一重量,令該玻璃吸管之該底部熔融軟化後,透過該重物牽引拉伸而朝該重力方向延伸形成一微流道,並令該微流道具有大於等於104之一長度-直徑比值;其中該加熱時間為0.1秒鐘至10秒鐘,該加熱溫度大於1040度C,該重物之該重量為150克;其中透過控制該加熱溫度、該加熱時間及該重物之該重量,令該微流道之一長度為10公分至60公分,該微流道之一直徑為1微米至20微米。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的微流道製造方法,其中該玻璃吸管具有一寬口部及一窄口部,該玻璃吸管之一直徑由該寬口部漸縮至該窄口部,該重物懸掛於該窄口部之一底部。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的微流道製造方法,其中係加熱該窄口部之該底部之至少一側邊,令該窄口部之該底部熔融軟化,並受該重物牽引拉伸而朝該重力方向延伸形成該微流道。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的微流道製造方法,其中係同時由該窄口部之該底部之二該側邊對稱地進行加熱。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的微流道製造方法,其中該微流道之一開口呈橢圓形或正圓形。
  6. 如申請專利範圍第2項所述的微流道製造方法,其中該玻璃吸管材質為一鈉鈣矽酸鹽玻璃。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的微流道製造方法,其中該加熱溫度大於該玻璃吸管之熔點。
  8. 一種微流道製造方法,包含:準備一玻璃吸管,將該玻璃吸管沿一重力方向垂直放置,令該玻璃吸管之一中心軸線垂直一水平面;懸掛一重物於該玻璃吸管之一底部; 進行一第一加熱步驟,以一第一加熱溫度於一第一加熱時間內加熱靠近該重物位置附近之該玻璃吸管之該底部之至少一側邊;控制該第一加熱溫度、該第一加熱時間及該重物之一重量,令該玻璃吸管之該底部熔融軟化後,透過該重物牽引拉伸而朝該重力方向延伸形成一第一微流道;進行一第二加熱步驟,以一第二加熱溫度於一第二加熱時間內加熱靠近該重物位置附近之該第一微流道之一底部之至少一側邊;以及控制該第二加熱溫度、該第二加熱時間及該重物之一重量,令該第一微流道底部熔融軟化後,透過該重物牽引拉伸而朝該重力方向延伸形成一第二微流道;其中該第一微流道具有大於等於104之一長度-直徑比值,該第二微流道具有大於該第一微流道之該長度-直徑比值;其中該第一加熱時間及該第二加熱時間為0.1秒鐘至10秒鐘,該第一加熱溫度及該第二加熱溫度大於1040度C,該重物之該重量為150克;其中透過控制該第一加熱溫度、該第二加熱溫度、該第一加熱時間、該第二加熱時間及該重物之該重量,令該第一微流道之該第一長度為10公分至60公分、該第一直徑 為1微米至20微米,該第二微流道之該第二長度為10公分至60公分、該第二直徑為100奈米至400奈米。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的微流道製造方法,該玻璃吸管具有一寬口部及一窄口部,該玻璃吸管之一直徑由該寬口部漸縮至該窄口部。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的微流道製造方法,其中係透過該第一加熱步驟及該第二加熱步驟分次加熱該窄口部之該底部之至少一側邊及該第一微流道之該底部之至少一側邊,令該窄口部之該底部及該第一微流道之該底部分次熔融軟化,並透過該重物牽引拉伸而朝該重力方向延伸分次形成該第一微流道及該第二微流道。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的微流道製造方法,其中係同時由該窄口部之該底部或該第一微流道之該底部之二該側邊對稱地進行加熱。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的微流道製造方法,其中該第一微流道具有一第一長度及一第一直徑,該第二微流道具有一第二長度及一第二直徑,該第二微流道之該第二長度大於等於該第一微流道之該第一長度。
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