TWI743430B - 用於a型流感快篩之自驅動微流體晶片 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種用於A型流感快篩之自驅動微流體晶片，該晶片包含：一基板、一疏水層、一親水薄膜層、以及一流道結構層依序積層，該流道結構層的結構包含複數個流道、設置於該複數個流道中的複數個閥門、複數個反應槽、以及複數個開孔，該親水薄膜層係具有對應該流道結構層之該結構的一圖案，且在對應該複數個閥門的位置形成一中斷區域，以使該複數個閥門為疏水性，該流道結構層係由一彈性材料形成，且該複數個閥門在該流道結構層的厚度方向上的高度係高於該複數個流道的高度，以藉由按壓該複數個閥門控制液體流動。

Description

用於A型流感快篩之自驅動微流體晶片
本發明係有關於一種用於A型流感快篩之自驅動微流體晶片，特別係關於一種利用毛細作用驅動使液體可在預設之流道中自我驅動，並透過軟性疏水性閥門控制液體流動程序的自驅動微流體晶片。
流感是由流行性感冒病毒(influenza virus)所引起的急性上呼吸道感染的傳染病，而因其病毒表面的蛋白不同，可分為四型(A、B、C、D)。其中A型流感病毒中的H1N1對人類危害最大，在世界各地常會有週期性的大流行，並造成無數病患死亡。
A型流感的病患主要為老人及小孩，但近期卻發現中壯年人感染A型流感的人數有增加的趨勢，若未及時治療而產生併發重症(如肺炎或是心肺衰竭)，則死亡率更趨近20%。因此，發展快速且精準的H1N1診斷，以圖早期治療和降低重症的發生率，成為了重要的課題。
傳統檢測流感病毒感染的方法包含病毒培養、免疫學檢測及反轉錄聚合酶連鎖反應(Reverse Transcriptase-Polymerase Chain Reaction,RT-PCR)，但這些檢測方法具有耗時、操作複雜、靈敏性低、需要昂貴儀器等缺點。另一 方面，診所常使用的一些利用膠體金免疫技術的流感快篩試片，在操作上相對簡單，只要15-20分鐘就可以得到檢驗結果，但相對的其準確性不高(約50-70%)，容易受到檢體中病毒活性及病毒量而影響檢測結果，造成偽陰性的現象發生，仍需要靠醫生判斷，或等候RT-PCR等得到的結果確認，才能進行後續治療。因此，仍有需要發展一種能快速且高靈敏性的篩檢H1N1的檢測方式。
有鑑於上述習知技術之問題，本發明之目的就是在提供一種用於A型流感快篩之自驅動微流體晶片，利用晶片先將病毒進行純化與分離，再利用恆溫核酸增幅法進行核酸增幅，透過鎂離子指示劑反應前後的顏色變化，便可透過肉眼或是光學感測器判讀檢驗的結果。本發明之自驅動微流體晶片包含：一基板；一疏水層，係設置於該基板上；一親水薄膜層，係設置於該疏水層上；以及一流道結構層，係設置於該親水薄膜層上，該流道結構層的一結構包含複數個流道、設置於該複數個流道中的複數個閥門、複數個反應槽、以及複數個開孔，其中，該親水薄膜層係具有對應該流道結構層之該結構的一圖案，且在對應該複數個閥門的位置形成一中斷區域，以使該複數個閥門為疏水性，該流道結構層係由一彈性材料形成，且該複數個閥門在該流道結構層的厚度方向上的高度係高於該複數個流道的高度，以藉由按壓該複數個閥門控制液體流動。
較佳地，該流道結構層之該結構更區分為用於將一樣品中的病毒純化與裂解的一樣品前處理區，以及利用恆溫核酸增幅法進行核酸增幅的一核酸放大反應區。
較佳地，其中該樣品前處理區包含：一前處理反應槽；複數個液體注入流道，係分別具有作為一儲存槽的一開孔，並分別連接於該前處理反應槽的上游；以及一液體排出流道，係連接於該前處理反應槽的下游；其中該複數個液體注入流道及該液體排出流道分別以一閥門控制液體流動；該核酸放大反應區包含：一樣品區、以及包含一陽性反應區及一陰性反應區的一控制區，其中該樣品區、該陽性反應區及該陰性反應區各包含一呈色反應槽，其中該樣品區係連接於該前處理反應槽，並包含一儲存槽及一閥門，以導入該前處理反應槽中的樣品並在該樣品區的該呈色反應槽進行呈色反應。
較佳地，該液體排出流道更包含具有更窄流道的一毛細作用動力部，並連接至作為一廢液槽的一開孔。
較佳地，該樣品區、該陽性反應區及該陰性反應區係各別含有一指示劑，以在各該呈色反應槽產生顏色變化。
較佳地，該複數個閥門在液體流動方向的上游側具有寬度大於該複數個流道的一擴大部。
較佳地，該基板係一玻璃基板。
較佳地，該彈性材料包含矽膠(PDMS)。
較佳地，該複數個閥門的高度係高於該複數個流道約200μm至250μm。
承上所述，依本發明之萃取水解物之方法，其可具有一或多個下述優點：
(1)本發明之自驅動微流體晶片能將實驗室中進行的樣品前處理(樣品純化、萃取等)以及檢驗分析整合到一片晶片裡，不僅可以大幅降低所需要的試劑、樣品外，更可以簡化實驗流程，減少複雜且耗時的操作。
(2)本發明之自驅動微流體晶片利用毛細作用原理及疏水性閥門的設計，不需要額外儀器進行液流控制，讓醫師可直接手動操作進行篩檢，與傳統快篩試片相比，具有更高的檢驗效率與靈敏性。
(3)本發明之自驅動微流體晶片適用於所有病毒類微生物檢驗，磁珠上只要接合不同病毒的專一性生物辨認分子及恆溫增幅用的引子對(primers)，便可以針對其他種病毒進行檢驗，適用範圍廣泛。
L1:基板
L2:疏水層
L3:親水薄膜層
L4:流道結構層
11:第一流道
12:第二流道
13:第三流道
14:第四流道
15:第五流道
16:第六流道
17:第七流道
18:第八流道
21:樣品儲存槽
22:磁珠儲存槽
23:清洗液儲存槽
24:裂解液儲存槽
26:反應液儲存槽
27:陽性儲存槽
28:陰性儲存槽
31:匯流閥門
33:清洗液閥門
34:裂解液閥門
35:廢液閥門
36:反應液閥門
45:前處理反應槽
46:樣品呈色反應槽
47:陽性呈色反應槽
48:陰性呈色反應槽
55:廢液槽
56~58:開孔
60:毛細作用動力部
S10-S70:步驟
第1圖 係顯示本發明之自驅動微流體晶片之一實施例的分解圖。
第2圖 係顯示本發明之自驅動微流體晶片之一實施例之流道結構層的結構示意圖。
第3圖 係顯示同一實施例之流道結構層的示意圖。
第4A圖 係顯示第3圖(I)部分的局部放大圖。
第4B圖 係顯示第3圖(II)部分的局部放大圖。
第4C圖 係顯示第3圖(III)部分的局部放大圖。
第5圖 係顯示本發明之自驅動微流體晶片之一實施例之閥門的操作示意圖。
第6圖 係顯示利用本發明之自驅動微流體晶片之一實施例進行A型流感快篩的操作流程示意圖。
本發明將藉由下列較佳實施例及其配合之圖式，作進一步之詳細說明。需注意的是，以下各實施例所揭示之數據、尺寸及結構，係為便於解釋本案技術特徵而使用，並非用以限制其可實施之態樣。
請參閱第1圖，其係顯示本發明之自驅動微流體晶片之一實施例的分解圖。如圖所示，本發明之自驅動微流體晶片包含基板L1、設置於該基板上的疏水層L2、設置於該疏水層上的親水薄膜層L3、以及設置於該親水薄膜層上的流道結構層L4。其中，親水薄膜層L3係具有對應該流道結構層L4之結構的圖案，且在對應閥門的位置形成中斷區域，以使閥門呈疏水性。於本實施例中，基板L1可為一玻璃基板，或其他適合鋪設疏水層L2的透明硬質塑膠材料。流道結構層L4係由一彈性材料形成，例如軟性透明的塑膠材料，較佳為使用矽膠(PDMS)，以使閥門可透過直接按壓的方式開啟而允許液體流通。本實施例的自驅動微流體晶片長約75~80mm，寬約25~30mm，但本發明不限於此。
請參閱第2圖及第3圖，其係顯示本發明之自驅動微流體晶片之一實施例之流道結構層的結構示意圖。本實施例之流道結構層L4的結構包含：複數個流道(11~18)、設置於流道中的複數個閥門(31、33~36)、一氣體排出通道(32)、複數個反應槽(45~48)、以及複數個開孔(21~24、26~28、55~58)。其中，位於各流道前端的開孔(21~24、26~28)可作為注入樣品或試劑的儲存槽，而位於各流道後端的開孔(55~58)可作為排氣孔或廢液槽，使流道中的液體能夠藉由毛細作用自動前進，以達到自驅動(self-driven)的效果。
如第3圖所示，流道結構層L4的結構可進一步區分為用於將一樣品中的病毒純化與裂解的樣品前處理區(IV以外的部分)，以及利用恆溫核酸增幅法進行核酸增幅的核酸放大反應區(IV的部分)。其中，如第 2圖所示，樣品前處理區包含前處理反應槽45；分別連接於前處理反應槽45的上游的複數個液體注入流道，如第一流道11、第二流道12、第三流道13、第四流道14；以及連接於前處理反應槽45的下游，作為液體排出流道的第五流道15。上述液體注入流道分別具有作為儲存槽的開孔，如第一流道11的樣品儲存槽21、第二流道12的磁珠儲存槽22、第三流道13的清洗液儲存槽23、以及第四流道14的裂解液儲存槽24，其中樣品儲存槽21及磁珠儲存槽22可分別作為注入樣品及病毒純化用磁珠的位置，且第一流道11與第二流道12可匯合至匯流閥門31，以匯流閥門31同時控制第一流道11與第二流道12的液體流動，使樣品及磁珠可在進入前處理反應槽45之前就開始混和，再加上使匯合之後的流道形成具有彎道的蛇形，可進一步改善混和的效果，提昇篩檢的準確性。另外，清洗液儲存槽23及裂解液儲存槽24可各別注入去除雜質用清洗液及病毒裂解用試劑，並各別通過清洗液閥門33與裂解液閥門34控制流道的開閉。最後，可通過位於前處理反應槽45的下游的廢液閥門35開啟第五流道15使前處理反應槽45中的廢液可以流至廢液槽55，第五流道15在到達廢液槽55之前的位置可包含具有相較於第五流道15更窄流道的毛細作用動力部60作為加速毛細作用的泵(pump)，也可以在廢液流至廢液槽55後用濾紙(filter paper)加速廢液的收集。
另一方面，核酸放大反應區包含一樣品區、以及包含陽性反應區及陰性反應區的一控制區，其中該樣品區、該陽性反應區及該陰性反應區分別具有彼此隔開的流道(16~18)及各自的呈色反應槽(46~48)，其中該樣品區的第六流道16係連接於前處理反應槽45，並包含裝有恆溫核酸反應液(內含鎂離子指示劑)的反應液儲存槽26及反應液閥門36，以在按壓反應液閥門36時導入反應液儲存槽26的反應液與前處理反應槽45中 的樣品進入第六流道16，並在樣品呈色反應槽46進行呈色反應。第六流道16也可形成蛇形以改善樣品與反應液的混和效果。
接著請參閱第4A~4C圖，其係顯示第3圖(I)~(III)部分的局部放大圖。如第4A圖所示，在靠近儲存槽的流道可具有一段差，以避免流道中的液體逆流至儲存槽中。如第4B~4C圖所示，各閥門在流道結構層的厚度方向上的高度係高於流道的高度，例如高於流道約200μm至250μm，以利用毛細作用原理控制液體在閥門被按壓之前不會自行通過。此外，各閥門在液體流動方向的上游側也可具有寬度大於流道的擴大部，以進一步防止液體自行通過，而各閥門在液體流動方向的下游側則縮窄形成類似箭頭的形狀，以使液體更容易往前推進。另外，如第4B圖所示，匯流閥門31下游側的流道可高於上游側的流道，避免在後續反應時回流至儲存槽，並降低液體的流速幫助樣品與磁珠的混合。
請參閱第5圖，其係顯示本發明之自驅動微流體晶片之一實施例之閥門的操作示意圖。如圖中(a)所示，本發明之閥門是親水性薄膜層的中斷區域，為疏水性且高度大於流道，因此在液體注入時會如圖中(b)所示，使液體被擋在閥門前。接者如圖中(c)以外力按壓閥門時，液體可藉由毛細作用流過閥門，並維持閥門開啟的狀態，如圖中(d)所示。因此，使用者只需按壓閥門一次就能使液體通過，而不需額外的驅動力使液體前進。
最後請參閱第6圖，係顯示使用本發明之自驅動微流體晶片之一實施例進行A型流感快篩的操作流程示意圖。本發明的篩檢方法是利用恆溫核酸放大法，對病毒的核酸進行反應以篩檢A型流感病毒的存在，其詳細步驟可配合第2圖之自驅動微流體晶片的構造，並說明如下。
首先，將樣品及試劑分別注入各儲存槽中(S10)，在本實施例中，樣品儲存槽21是注入待測樣品；磁珠儲存槽22是注入對H1N1有專一 性適體的磁珠；清洗液儲存槽23是注入清洗液；裂解液儲存槽24是注入病毒裂解用試劑；反應液儲存槽26是注入恆溫核酸反應液(內含鎂離子指示劑)；陽性儲存槽27是注入恆溫核酸反應液(內含鎂離子指示劑)與陽性樣品；陰性儲存槽28是注入恆溫核酸反應液(內含鎂離子指示劑)與陰性樣品。在此，控制區的陽性儲存槽27與陰性儲存槽28會直接流入各自的呈色反應槽(47、48)等待反應。
接著，按壓匯流閥門31使樣品儲存槽21的待測樣品與磁珠儲存槽22的磁珠混和並進入前處理反應槽45中(S20)，在此，樣品若有H1N1病毒存在，將會被磁珠抓取。
然後，將本發明之自驅動微流體晶片置於磁石上，以將磁珠固定在前處理反應槽45中(S30)，再按壓清洗液閥門33與廢液閥門35使清洗液儲存槽23的清洗液通過前處理反應槽45以洗去病毒以外的雜質(S40)，並將廢液排至廢液槽55。雜質去除後，按壓裂解液閥門34使裂解液儲存槽24的病毒裂解用試劑進入前處理反應槽45將病毒裂解(S50)，以萃取病毒的核酸。
然後，按壓反應液閥門36使反應液儲存槽26的恆溫核酸反應液流入第六流道16，同時藉由毛細作用拉動前處理反應槽45中的液體一起進入第六流道16進行混和並注入樣品呈色反應槽46中，再對自驅動微流體晶片加熱(S60)，以進行恆溫核酸放大。本實施例是加熱約60~80℃，持續約15~30分鐘。
最後，在呈色反應完成後，比較樣品呈色反應槽46、控制區的陽性呈色反應槽47及陰性呈色反應槽48的顏色，以判斷待測樣品呈陽性反應或陰性反應(S70)，而判斷待測樣品中是否有H1N1病毒存在。在此，使用者可用肉眼確認顏色變化，或使用光學感測器取得RGB顏色的準確數 據來進行比較，以判斷樣品呈色反應槽46的顏色較接近陽性或陰性的呈色。
上述實施例雖示範使用者以手動操作的步驟，但本發明係不限於此。例如，也可以將上述步驟整合至自動化的系統或儀器中，以節省實驗所需的時間與人力需求。
另外，上述實施例雖示範以本發明之自驅動微流體晶片檢測H1N1病毒，但本發明係不限於此。例如，也可根據不同的檢測對象或檢驗種類進行調整，如改變磁珠上的專一性辨認分子(如抗體等)及試劑的種類等，皆可利用本發明之自驅動微流體晶片，而不需另外變更設計。此外，上述實施例雖詳述了各儲存槽與閥門等的布局與用途，但上述實施例中所使用的用語僅為說明之用，而非意在限制本發明實際上的實施態樣。因此，使用者也可視檢測需要進行變更，例如將清洗液儲存槽改為其他試劑的儲存槽等等，不以此為限。
據此，本發明所揭示之自驅動微流體晶片能將樣品前處理(樣品純化、萃取等)以及檢驗分析整合到一片晶片裡，不僅可以大幅降低所需要的試劑、樣品外，更可以簡化實驗流程，減少複雜且耗時的操作。此外，本發明之自驅動微流體晶片利用毛細作用原理及疏水性閥門的設計，不需要額外儀器進行液流控制，讓醫師可直接手動操作進行篩檢，與傳統快篩試片相比，具有更高的檢驗效率與靈敏性。
綜上所述，雖然本發明已將較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內對其進行之等效的修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
L1:基板
L2:疏水層
L3:親水薄膜層
L4:流道結構層

Claims (6)

  1. 一種自驅動微流體晶片，其包含：一基板；一疏水層，係設置於該基板上；一親水薄膜層，係設置於該疏水層上；以及一流道結構層，係設置於該親水薄膜層上，該流道結構層的一結構包含複數個流道、設置於該複數個流道中的複數個閥門、複數個反應槽、複數個開孔、一液體排出流道以及一毛細作用動力部，其中該毛細作用動力部具有相較於該液體排出流道更窄流道，並連接至作為一廢液槽的一開孔，其中，該親水薄膜層係具有對應該流道結構層之該結構的一圖案，且在對應該複數個閥門的位置形成一中斷區域，以使該複數個閥門為疏水性，該流道結構層係由一彈性材料形成，且該複數個閥門在該流道結構層的厚度方向上的高度係高於該複數個流道的高度，以藉由按壓該複數個閥門控制液體流動，該流道結構層區分為一樣品前處理區、一核酸放大反應區，其中：該樣品前處理區，係用於將一樣品中的病毒純化與裂解，且包含：一前處理反應槽；以及複數個液體注入流道，係分別具有作為一儲存槽的一開孔，並分別連接於該前處理反應槽的上游， 其中，該液體排出流道係連接於該前處理反應槽的下游，該些液體注入流道及該液體排出流道分別以一閥門控制液體流動；以及該核酸放大反應區，係利用恆溫核酸增幅法進行核酸增幅，且包含：一樣品區，包括一樣品呈色反應槽、一反應液儲存槽、一反應液閥門及一蛇形流道，該樣品呈色反應槽僅透過該蛇形流道及該反應液閥門連接該前處理反應槽及該反應液儲存槽，以導入該前處理反應槽中的樣品及該反應液儲存槽的反應液，並在該樣品呈色反應槽進行呈色反應，且該樣品呈色反應槽為封閉式反應槽；以及一控制區，包含一陽性反應區及一陰性反應區，該陽性反應區包含一陽性呈色反應槽，該陰性反應區包含一陰性呈色反應槽，且該陽性呈色反應槽及該陰性呈色反應槽皆為封閉式反應槽。
  2. 如請求項1所述之自驅動微流體晶片，其中該樣品區、該陽性反應區及該陰性反應區係各別含有一指示劑，以在各該呈色反應槽產生顏色變化。
  3. 如請求項1所述之自驅動微流體晶片，其中該複數個閥門在液體流動方向的上游側具有寬度大於該複數個流道的一擴大部。
  4. 如請求項1所述之自驅動微流體晶片，其中該基板係一玻璃基板。
  5. 如請求項1所述之自驅動微流體晶片，其中該彈性材料包含矽膠(PDMS)。
  6. 如請求項1所述之自驅動微流體晶片，其中該複數個閥門的高度係高於該複數個流道約200μm至250μm。
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