TWI809414B - 感測裝置以及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露提供一種感測裝置。感測裝置包含第一基板、第二基板、流道以及第一反應群組。第二基板與第一基板相對設置，流道設置於第一基板與第二基板之間，且流道包含流體邊界。第一反應群組設置於第一基板上且包含第一反應部位、第二反應部位以及第三反應部位，第一反應部位比第二反應部位更靠近流體邊界，且第一反應部位的尺寸大於或等於第二反應部位的尺寸，第二反應部位比第三反應部位更靠近流體邊界，且第二反應部位的尺寸大於第三反應部位的尺寸。

Description

感測裝置以及其使用方法
本揭露係有關於一種感測裝置以及使用感測裝置的方法，且本揭露特別係有關於流體生物晶片(biochip)及其使用方法。
使用精密的生物分子識別功能，例如，抗原-抗體、蛋白質-蛋白質以及蛋白質-DNA等的測量反應，在臨床測試以及生物化學領域的測量中正成為重要的技術。此外，在生物化學研究領域中，DNA雜交(hybridization)的分析或DNA定序也被廣泛使用。
目前已經開發了用於生物及化學分析的各種生物晶片，例如，微流體(microfluidic)晶片、微陣列(micro-array)晶片或微縮晶片實驗室(lab-on-a-chip)。隨著感測裝置的蓬勃發展，人們對這些生物晶片的可靠性、品質及成本有很高的期望。
雖然現有的生物晶片已經大致上足以滿足其預期目的，但是它們並非在所有方面皆完全令人滿意。舉例而言，樣品的流體速度分佈在不同反應部位(reaction site)是不均勻的，例如，在中心附近的反應部位的流體速度高於在邊界附近的反應部位的流體速度，因此，樣品在不同反應部位的整體加載率(overall loading rate)不均勻，其可能造成測試結果不準確。因此，生物晶片仍然存在一些尚待解決的問題。
根據本揭露一些實施例，提供一種感測裝置，感測裝置包含第一基板、第二基板、流道以及第一反應群組，第二基板與第一基板相對設置，流道設置在第一基板和第二基板之間，且流道包含流體邊界。第一反應群組設置於第一基板上，且第一反應群組包含第一反應部位、第二反應部位以及第三反應部位，第一反應部位比第二反應部位更靠近流體邊界，且第一反應部位的尺寸大於或等於第二反應部位的尺寸，第二反應部位比第三反應部位更靠近流體邊界，且第二反應部位的尺寸大於第三反應部位的尺寸。
根據本揭露一些實施例，提供一種使用感測裝置的方法，方法包含提供感測裝置，感測裝置包含第一基板、第二基板、流道以及第一反應群組，第二基板與第一基板相對設置，流道設置於第一基板與第二基板之間，且流道包含流體邊界。第一反應群組設置於第一基板上，且第一反應群組包含第一反應部位、第二反應部位以及第三反應部位，第一反應部位比第二反應部位更靠近流體邊界，且第一反應部位的尺寸大於或等於第二反應部位的尺寸，第二反應部位比第三反應部位更靠近流體邊界，且第二反應部位的尺寸大於第三反應部位的尺寸。此外，前述方法更包含以下步驟：將含有生物樣品的溶液加載於流道中；施加電壓於第一導電層以將生物樣品固定於第一反應群組上；關閉施加於第一導電層的電壓；以及將多餘的生物樣品從流道中洗去。
為了讓本揭露之特徵、或優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
以下針對本揭露的感測裝置以及感測裝置的使用方法作詳細說明。以下的詳細描述中，為了解釋的目的，闡述許多具體細節以及實施例以便提供對本揭露的透徹理解。以下所述特定的元件及排列方式僅為了簡單清楚描述本揭露一些實施例。然而，可理解的是，示例性的實施例僅用以說明為目的，且發明的概念可以以各種形式體現而不限於那些示例性的實施例。
此外，在不同實施例中可能使用相似及/或對應的符號以標示相似及/或對應的元件，以清楚地描述本揭露的內容。然而，這些類似及/或對應的標號的使用僅為了簡單清楚地敘述本揭露一些實施例，不代表所討論之不同實施例及/或結構之間具有任何關連性。應理解的是，示例性的實施例的敘述應配合圖式一併理解，本揭露之圖式亦被視為揭露說明之一部分。本揭露之圖式可能並未按照比例繪製。此外，可能任意的放大或縮小元件的尺寸以便清楚表現出本揭露的特徵。為了簡化圖式，可示意性地繪示結構以及裝置。
此外，「一層覆蓋於另一層上」、「一層設置於另一層上方」、「一層設置於另一層上」以及「一層設置於另一層之上」等的表達可表示該層與另一層直接接觸，或者該層與另一層不直接接觸且該層與另一層之間存在一個或多個中間層的情形。
此外，在實施例中，可能使用相對性用語，例如「較低」、「底部」、「較高」或「頂部」，以描述圖式的一個元件相對於另一元件的位置。應可理解的是，如果將圖式的裝置翻轉使其上下顛倒，則所敘述在「較低」側的元件將會成為在「較高」側的元件。
應理解的是，雖然在此可使用用語「第一」、「第二」、「第三」等來敘述各種元件、組件、區域、層、部分及/或截面，這些元件、組件、區域、層、部分及/或截面不應被這些用語限定。這些用語僅是用來區別不同的元件、組件、區域、層、部分或截面。因此，以下討論的第一元件、組件、區域、層、部分或截面可在不偏離本揭露之教示的情況下被稱為第二元件、組件、區域、層、部分或截面。
於文中，「約」以及「實質上(substantially)」等用語通常表示在一給定值或範圍的10%內，或5%內、或3%之內、或2%之內、或1%之內、或0.5%之內。在本揭露中給定的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」以及「實質上」的情況下，仍可能隱含「約」以及「實質上」之含義。
除非另外定義，在此使用的全部用語(包含技術及科學用語)具有與本揭露所屬技術領域的技術人員通常理解的相同涵義。能理解的是，這些用語例如在通常使用的字典中定義用語，應被解讀成具有與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在本揭露實施例有特別定義。
根據本揭露一些實施例，感測裝置可包含反應群組(reaction group)，其在靠近流體邊界區域(fluidic boundary region)的反應部位的尺寸比中心區域的反應部位大，藉此補償由於流道中的拋物線流速輪廓(parabolic flow velocity profile)造成的低樣品加載率。因此，在流道的不同位置(例如，中心區域或邊界區域)的反應部位的樣品加載率可為均勻的，並且可以改善感測裝置的可靠性或性能。此外，根據一些實施例，感測裝置可以進一步包含設置於基板上的導電層，從而可以產生介電泳(dielectrophoretic，DEP)力或電泳(electrophoretic，EP)力以協助將介電或帶電樣品分別吸引至反應部位，據此可增加樣品的加載效率。
第1A圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置10的示意圖。應理解的是，為了清楚起見，第1A圖中省略了感測裝置10的一些組件。此外，應理解的是，根據本揭露一些實施例，可添加額外的特徵於感測裝置10。
根據本揭露的實施例，感測裝置10可以不限於特定用途。根據一些實施例，感測裝置10可以用於生物分析或生化分析，例如，感測裝置10可以用於測量或分析DNA序列、DNA-DNA雜交、單核苷酸多型性(single nucleotide polymorphism)、蛋白質相互作用、胜肽相互作用、抗原-抗體相互作用、蛋白質微陣列(microarray)、液體活檢(liquid biopsy)、定量聚合酶連鎖反應(quantitative polymerase chain reaction，qPCR)、葡萄糖監測、膽固醇監測等。
感測裝置10可包含第一基板100、第二基板200以及流道300，第二基板200可與第一基板100相對設置，流道300可位於第一基板100與第二基板200之間。根據一些實施例，第一基板100與第二基板200之間可間隔一段距離，且流道300可為第一基板100與第二基板200之間所定義的空間。
根據一些實施例，第一基板100以及第二基板200的材料可包含有機材料、無機材料或前述之組合。例如，有機材料可包含環氧樹脂(epoxy resin)、矽樹脂(silicone resin)(例如，聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS))、丙烯酸樹脂(例如，聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA))、聚醯亞胺(polyimide，PI)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate，PET)、全氟烷氧基樹脂(perfluoroalkoxy alkane，PFA)、其它合適的材料或前述之組合，但不限於此。例如，無機材料可包含玻璃、陶瓷、氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁、其它合適的材料或前述之組合，但不限於此。此外，第一基板100的材料可以與第二基板200的材料相同或不同。
根據一些實施例，第一基板100可為互補式金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)基板。例如，第一基板100的材料可包含矽、矽上覆III-V族(III-V group on silicon)、矽上覆石墨烯(graphene-on-silicon)、絕緣層上覆矽(silicon-on-insulator)或前述之組合，但不限於此。
根據一些實施例，包含待檢測或分析的樣品的溶液可流過流道300，且樣品可定位於第一基板100上的反應部位102(如第1B圖所示)上。此外，流道300可包含流體邊界(fluidic boundary)300s(圖式中以虛線標示)，且流體邊界300s可位於流道300的周邊區域。根據一些實施例，流體邊界300s靠近流道300的邊緣。如第1A圖所示，在流道300中流動的溶液可能呈現拋物線流速度輪廓，換言之，靠近流體邊界300s的樣品加載率可能低於中心區域的樣品加載率。
根據本揭露一些實施例，感測裝置10可包含在靠近流體邊界300s比在中心區域尺寸更大的反應部位102，以補償由於流道300中的拋物線流速輪廓而導致的低樣品加載率。具體而言，請參照第1B圖，第1B圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置10的第一基板100的上視示意圖。
感測裝置10可包含複數個第一反應群組102R，第一反應群組102R可設置於第一基板100上，且每個第一反應群組102R可包含複數個反應部位102。根據一些實施例，反應部位102可為奈米點(nanospot)或奈米井(nanowell)。根據一些實施例，第一反應群組102R包含位於同一行中的反應部位102，且所述行可實質上垂直於與流道300的延伸方向。根據本揭露的實施例，所述物體的「延伸方向」指的是沿著或實質上平行於物體的長軸的方向，例如，物體的長軸的方向為可圍繞住物體的最小矩形的長邊的延伸方向。
為了清楚說明，將三個反應部位102標記為反應部位102A、反應部位102B以及反應部位102C。如第1B圖所示，反應部位102A比反應部位102B更靠近流體邊界300s，且反應部位102A的尺寸大於等於反應部位102B的尺寸。再者，反應部位102B比反應部位102C更靠近流體邊界300s，且反應部位102B的尺寸大於反應部位102C的尺寸。
根據一些實施例，反應部位102A的面積與反應部位102C的面積的比可以在1.1：1至2：1的範圍內。根據一些實施例，反應部位102A的面積與反應部位102B的面積的比可以在1.1：1至1.5：1的範圍內。根據一些實施例，反應部位102的面積指的是反應部位102的底表面的面積。
換言之，根據一些實施例，隨著反應部位102越靠近流體邊界300s，部分的反應部位(例如，圖中所示的反應部位102A及102B)的尺寸可逐漸地增加。另一方面，根據一些實施例，較遠離流體邊界300s的部分的反應部位102(例如，圖中所示的反應部位102C)的尺寸可實質上維持相同。
具體而言，根據一些實施例，反應部位102A的直徑d1可大於或等於第二反應部位102B的直徑d2，且反應部位102B的直徑d2大於反應部位102C的直徑d3。根據一些實施例，反應部位102A的直徑d1與反應部位102C的直徑d3的比可以在1.1：1至2：1的範圍內。根據一些實施例，反應部位102A的直徑d1與反應部位102B的直徑d2的比可以在1.1：1至1.5：1的範圍內。
應理解的是，反應部位102的數量不限於圖式中所示的數量。根據不同的實施例，可能具有更多或更少的反應部位102A(例如，最大的反應部位)、反應部位102B(例如，中間尺寸的反應部位)以及反應部位102C(例如，最小的反應部位)，可根據實際需求進行調整。根據不同的實施例，可具有不同的尺寸數量的反應部位102。舉例而言，反應部位102的尺寸數量可多於三種，例如四種、五種、六種或七種不同的尺寸，但本揭露不限於此。根據不同的實施例，反應部位102可以矩形陣列或六邊形陣列設置，但本揭露不限於此。
此外，反應部位102的形狀不限於圓形，如第1B圖所示。根據另一些實施例，反應部位102可具有其它合適的形狀，例如，橢圓形、矩形、六邊形或其它任意合適的形狀。根據一些實施例，反應部位102可能具有多於一種的形狀。
請參照第1C圖，第1C圖顯示根據本揭露一些實施例中沿著第1B圖中的截線A-A’取得的感測裝置的剖面示意圖。再者，第1C圖亦標示出含有生物樣品400的溶液在流道300中的平均流速。
如第1C圖所示，根據一些實施例，感測裝置10可進一步包含第一間隔層104，第一間隔層104設置於第一基板100上並且位於第一基板100與第二基板200之間(如第3圖所示)。根據一些實施例，第一間隔層104可包含複數個開口，且這些開口定義反應部位102。然而，根據另一些實施例，反應部位102可為形成於第一基板100中的開口。
根據一些實施例，反應部位102(反應部位102A、102B以及102C)之間的間距(pitch)p可為相同。根據一些實施例，位於反應部位102A與反應部位102B之間的第一間隔層104的寬度W 1可小於位於反應部位102B與反應部位102C之間的第一間隔層104的寬度W 2。根據一些實施例，第一間隔層104的寬度W 1以及寬度W 2分別指的是反應部位102A與反應部位102B之間的第一間隔層104的最小寬度、以及反應部位102B與反應部位102C之間的第一間隔層104的最小寬度。
根據一些實施例，第一間隔層104的材料可包含聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚乙烯(polyethylene，PE)、聚醚砜(polyethersulfone，PES)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、玻璃、二氧化矽(SiO 2)、氮氧化矽(SiON)、氮化矽(SiN)、氧化鈦(TiO 2)、氮化鈦(TiN)、氧化鋁(Al 2O 3)、氧化鉭(Ta 2O 5)、氧化鈮(Nb 2O 5)或前述之組合，但不限於此。
根據一些實施例，生物樣品400可包含DNA、RNA、蛋白質、抗原、抗體、脂質微胞(lipid micelle)、生物分子包覆的奈米顆粒或前述之組合，但不限於此。根據一些實施例，第一反應群組102R的反應部位102可經自組裝薄膜(self-assembly monolayer)修飾，以將生物樣品400固定於溶液中。根據一些實施例，感測裝置10可測量或分析由生物樣品400所發出的螢光或化學發光(chemiluminescence)。
具體而言，根據一些實施例，反應部位102可選擇性地經官能基團修飾，以捕捉生物樣品400並將其固定於反應部位102上，固定的機制可包含表面電荷吸引、自組裝共價結合、或生物親和力，但不限於此。根據一些實施例，當生物樣品400帶負電荷時，反應部位102可以被修飾為帶正電荷的。舉例而言，反應部位102可經矽烷(silane)修飾，例如3-氨基丙基三乙氧基矽烷(3-aminopropyltriethoxysilane，APTES)或(3-縮水甘油醚氧基丙基)三乙氧基矽烷((3-glycidyloxypropyl)triethoxysilane，GPTES)。根據另一些實施例，當使用生物素標記(biotin tag)修飾生物樣品400時，可使用鏈黴親和素(streptavidin)修飾反應部位102。
如上所述，在流道300中流動的溶液呈現拋物線流速輪廓，在反應部位102A的平均流速或樣品加載率可能低於在反應部位102B處的平均流速或樣品加載率，相似地，在反應部位102B處的平均流速或樣品加載率可能低於在反應部位102C處的平均流速或樣品加載率。然而，由於靠近流體邊界300s的反應部位102A或反應部位102B的尺寸大於較遠離流體邊界300s的反應部位102C的尺寸，因此可補償在反應部位102A或反應部位102B的低樣品加載率。藉由此種構造，反應部位102的整體加載率(即，生物樣品400的加載量)在流道300的不同區域中實質上為均勻的。
請參照第2A圖至第2C圖，第2A圖至第2C圖顯示根據本揭露一些實施例中的流道300的上視示意圖。如第2A圖至第2C圖所示，流道300可包含入口302以及出口304，含有生物樣品400的溶液可以從入口302進入流道300，並且從出口304離開流道300。根據一些實施例，第一反應群組102R(例如，如第1B圖所示，包含反應部位102A、102B以及102C)可位於同一截線A-A’上，且截線A-A’可垂直於入口302與出口304的延伸線Ex。根據一些實施例，延伸線Ex指的是入口302與出口304的中心點之間的連線。根據一些實施例，延伸線Ex可實質上平行於流道300的延伸方向。
如第2A圖所示，根據一些實施例，流道300可具有六邊形形狀。如第2B圖所示，根據一些實施例，流道300可具有葉片形狀或具有彎曲的側邊。如第2C圖所示，根據一些實施例，流道300具有橢圓形狀。此外，入口302以及出口304可位於流道300相對的兩端。應注意的是，流道300的形狀不限於前述的形狀，根據不同的實施例，流道300可根據需求而具有其它任意合適的形狀。
請參照第3圖，第3圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置10A的剖面示意圖。如第3圖所示，根據一些實施例，感測裝置10A可進一步包含第一導電層110以及第二導電層210，第一導電層110可設置於第一基板100上且位於第一基板100與第一間隔層104之間，第二導電層210可設置於第二基板200上。根據一些實施例，感測裝置10A可進一步包含位於第二基板200上的第二間隔層204，且第二導電層210可設置於第二基板200與第二間隔層204之間。
根據一些實施例，感測裝置10A可進一步包含設置於第二基板200上的第二反應群組202R，第二反應群組202R可設置於第二基板200上，且每個第二反應群組202R可包含複數個反應部位202。第二反應群組202R可與前述的第一反應群組102R相似，於此便不再重複。根據一些實施例，生物樣品400可定位於第一基板100上的反應部位102上以及第二基板200上的反應部位202上。
根據一些實施例，第一基板100與第二基板200之間可間隔距離DS。根據一些實施例，距離DS可以在10μm至3mm或25μm至1mm的範圍內，例如，50μm、100μm、250μm或500μm。
根據一些實施例，第一導電層110以及第二導電層210的材料可包含金屬導電材料、透明導電材料或前述之組合。金屬導電材料可包含銅(Cu)、銀(Ag)、錫(Sn)、鋁(Al)、鉬(Mo)、鎢(W)、金(Au)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈦(Ti)、銅合金、銀合金、錫合金、鋁合金、鉬合金、鎢合金、金合金、鉻合金、鎳合金、鉑合金、鈦合金、其它合適的導電材料或前述之組合，但不限於此。透明導電材料可包含透明導電氧化物(transparent conductive oxide，TCO)。舉例而言，透明導電氧化物可包含氧化銦錫(indium tin oxide，ITO)、氧化錫(tin oxide，SnO)、氧化鋅(zinc oxide，ZnO)、氧化銦鋅(indium zinc oxide，IZO)、氧化銦鎵鋅(indium gallium zinc oxide，IGZO)、氧化銦錫鋅(indium tin zinc oxide，ITZO)、氧化銻錫(antimony tin oxide，ATO)、氧化銻鋅(antimony zinc oxide，AZO)或前述之組合，但不限於此。
根據一些實施例，設置於反應部位102下方的第一導電層110以及設置於反應部位202下方的第二導電層210可進一步提供主動力(例如，介電泳力或電泳力)以吸引生物樣品400至反應部位102與反應部位202的表面上，因此，可改善生物樣品400的加載效率。
請參照第4圖，第4圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置10B的剖面示意圖。應理解的是，後文中與前文相同或相似的組件或元件將以相同或相似之標號表示，其材料、製造方法與功能皆與前文所述相同或相似，故此部份於後文中將不再贅述。
如第4圖所示，根據一些實施例，感測裝置10B可僅包含一層間隔層。例如，根據一些實施例，感測裝置10B包含位於第一導電層110上的第一間隔層104，但是不包含位於第二導電層210上的第二間隔層204。換言之，感測裝置10B包含僅位於基板(即，第一基板100)的一側上的反應部位102。
請參照第5圖，第5圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置10C的剖面示意圖。如第5圖所示，根據一些實施例，感測裝置10C可包含介電層112，介電層112設置於第一基板100上並且位於第一基板100與第一間隔層104之間。
根據一些實施例，介電層112可與第一反應群組102R部分地重疊，換言之，介電層112可與一部分的反應部位102重疊，但是不與另一部分的反應部位102重疊。根據一些實施例，介電層112可將第一導電層110分隔開，且介電層112可插入於第一導電層110的分開的部分之間。根據一些實施例，介電層112可位於流道300的中心區域附近並且遠離流體邊界300s。
根據一些實施例，介電層112的材料可包含氮化矽、氧化矽、氮氧化矽、氧化鋁、氧化鈮、氧化鉭、氧化鈦、氮化鈦、光阻、聚二甲基矽氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醯亞胺(PI)、其它合適的材料或前述之組合，但不限於此。
請參照第6圖至第8圖，第6圖至第8圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的剖面示意圖。根據一些實施例，第一基板100可為不透明的(opaque)、透明的或半透明的，且第二基板200可為透明的或半透明的。根據一些實施例，第二基板200指的是感測裝置的上基板。根據一些實施例，上基板(例如，第二基板200)的材料應為透明或半透明的，使得光線可以穿透過上基板，且使得光學顯微鏡500可用於觀測生物樣品400。
如第6圖所示，根據一些實施例，可使用光學顯微鏡500來觀測在第一基板100上的反應部位102處的生物樣品400以及在第二基板200上的反應部位202處的生物樣品400。因此，根據一些實施例，可同時進行在第一基板100與第二基板200上的生物樣品400的觀測。如第7圖以及第8圖所示，根據一些實施例，感測裝置僅在第一基板100上具有反應部位102，且光學顯微鏡500可用於觀測在第一基板100上的反應部位102處的生物樣品400。
請參照第9圖至第11圖，第9圖至第11圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的剖面示意圖。根據一些實施例，第一基板100及/或第二基板200可為互補式金屬氧化物半導體(CMOS)基板。在此種實施例中，第一基板100及/或第二基板200可為不透明的。再者，如第9圖至第11圖所示，感測裝置可進一步包含複數個感測元件120，且感測元件120可設置於第一基板100及/或第二基板200內。
根據一些實施例，感測元件120可為光電二極體(photodiode)或者可將測量的光線轉換為電流的其它合適的光感測元件。具體而言，根據一些實施例，感測元件120可包含金屬氧化物半導體(MOS)電晶體的源極以及汲極(未繪示)，其可將電流轉移至其它組件，例如其它MOS電晶體。其它組件可包含用於將電流轉換為數位訊號的重置電晶體(reset transistor)、電流源極隨耦器(current source follower)或列選擇器(row selector)，但不限於此。
如第9圖所示，根據一些實施例，於感測裝置10A’中，第一基板100以及第二基板200兩者皆為CMOS基板，感測元件120可設置於第一基板100以及第二基板200內，並且分別與第一導電層110以及第二導電層210電性連接。
如第10圖所示，根據一些實施例，於感測裝置10B’中，第一基板100為CMOS基板，而第二基板200不是CMOS基板。根據一些實施例，感測元件120可與第一導電層110接觸。如第11圖所示，根據一些實施例，於感測裝置10C’中，第一基板100為CMOS基板，而第二基板200不是CMOS基板。根據一些實施例，感測元件120與第一導電層110以及介電層112接觸。
請參照第12A圖至第12E圖，第12A圖至第12E圖顯示根據本揭露一些實施例中於感測裝置10A的使用方法的中間階段之感測裝置10A的剖面示意圖。應理解的是，可於感測裝置10A的使用方法之前、期間及/或之後提供額外的操作。根據一些實施例，以下描述的一些操作可以被取代或省略。
如第12A圖所示，方法可包含提供如上所述的感測裝置10A，以及將含有生物樣品400的溶液加載於流道300中。根據一些實施例，在將含有生物樣品400的溶液加載於流道300中之後，可停止流動，將一些生物樣品400固定於反應部位102以及反應部位202上。
接著，請參照第12B圖，方法可包含施加電壓於第一導電層110以將生物樣品400固定於第一反應群組102R的反應部位102上。根據一些實施例，電壓可為直流(direct current，DC)電壓，且生物樣品400可藉由電泳力被固定於反應部位102上。如第12B圖所示，於此階段，第一導電層110可為帶正電荷的，使得帶負電荷的生物樣品400被吸引至反應部位102。此外，方法可包含關閉施加於第一導電層110的電壓。
接著，請參照第12C圖，在施加電壓於第一導電層110以將生物樣品400固定於第一反應群組102R上之後，方法可進一步包含反轉(reverse)電壓的方向以將生物樣品400固定於第二反應群組202R的反應部位202上。如第12C圖所示，於此階段，第二導電層210可為帶正電荷的，使得帶負電荷的生物樣品400被吸引至反應部位202。值得注意的是，由於反應部位102上的生物樣品400已藉由官能基團的相互作用與反應部位102的表面交聯(cross-link)，因此已固定於反應部位102上的生物樣品400將不會被吸引至反應部位202。
此外，根據一些實施例，在施加電壓於第一導電層110以將生物樣品400固定於第一反應群組102R上的步驟之後，方法可進一步包含等待一時段使得固定穩定。根據一些實施例，時段可以在5秒至5小時的範圍內，或10秒至3小時的範圍內，或30秒至1小時的範圍內，例如，1分鐘、3分鐘、5分鐘、10分鐘、或30分鐘。
接著，請參照第12D圖，方法可包含將多餘的生物樣品400從流道300中洗去。根據一些實施例，緩衝溶液410可用於洗去多餘的生物樣品400，然後重新填充流道300。根據一些實施例實，緩衝溶液410可為與含有生物樣品400的溶液相同類型的溶液。根據一些實施例，緩衝溶液410可包含磷酸鹽緩衝鹽水(phosphate-buffered saline，PBS)或Tris-EDTA(TE)緩衝溶液，但不限於此。
之後，如第12E圖所示，生物樣品400可固定於第一基板100上的每個反應部位102以及第二基板200上的每個反應部位202上，生物樣品400可充分地裝載於感測裝置10A的反應部位上。
應注意的是，根據第12A圖至第12E圖所示的實施例，由於第一導電層110以及第二導電層210為對稱的，亦即被暴露出的第一導電層110以及第二導電層210的圖案相同，因此生物樣品400應帶負電荷或帶正電荷使得它們可以被電泳力吸引至反應部位102以及202。
請參照第13A圖至第13D圖，第13A圖至第13D圖顯示根據本揭露一些實施例中於感測裝置10B的使用方法的中間階段之感測裝置10B的剖面示意圖。應理解的是，可於感測裝置10B的使用方法之前、期間及/或之後提供額外的操作。根據一些實施例，以下描述的一些操作可以被取代或省略。
如第13A圖所示，方法可包含提供如上所述的感測裝置10B，以及將含有生物樣品400的溶液加載於流道300中。根據一些實施例，在將含有生物樣品400的溶液加載於流道300中之後，可停止流動，將一些生物樣品400固定於反應部位102上。
接著，請參照第13B圖，方法可包含施加電壓於第一導電層110以將生物樣品400固定於第一反應群組102R的反應部位102上。根據一些實施例，電壓可為交流(alternating current，AC)電壓，且生物樣品400可藉由介電泳力被固定於第一反應群組102R的反應部位102上。根據一些實施例，交流電壓的頻率可以在1KHz至1GHz的範圍內，例如，1MHz。此外，方法可包含關閉施加於第一導電層110的電壓。
再者，根據一些實施例，在施加電壓於第一導電層110以將生物樣品400固定於第一反應群組102R上的步驟之後，方法可進一步包含等待一時段使得固定穩定。根據一些實施例，時段可以在5秒至5小時的範圍內，或10秒至3小時的範圍內，或30秒至1小時的範圍內，例如，1分鐘、3分鐘、5分鐘、10分鐘、或30分鐘。
接著，請參照第13C圖，方法可包含將多餘的生物樣品400從流道300中洗去。根據一些實施例，緩衝溶液410可用於洗去多餘的生物樣品400，然後重新填充流道300。之後，如第13D圖所示，生物樣品400可固定於第一基板100上的每個反應部位102上，生物樣品400可充分地裝載於感測裝置10B的反應部位上。
應注意的是，根據第13A圖至第13D圖所示的實施例，由於第一導電層110以及第二導電層210為不對稱的，亦即被暴露出的第一導電層110以及第二導電層210的圖案不同，因此生物樣品400可為不帶電、帶負電荷或帶正電荷的，且它們皆可藉由介電泳力被吸引至反應部位102。
請參照第14A圖至第14D圖，第14A圖至第14D圖顯示根據本揭露一些實施例中於感測裝置10C的使用方法的中間階段之感測裝置10C的剖面示意圖。應理解的是，可於感測裝置10C的使用方法之前、期間及/或之後提供額外的操作。根據一些實施例，以下描述的一些操作可以被取代或省略。
如第14A圖所示，方法可包含提供如上所述的感測裝置10C，以及將含有生物樣品400的溶液加載於流道300中。根據一些實施例，在將含有生物樣品400的溶液加載於流道300中之後，可停止流動，並且可以藉由適當的靜置時間將一些生物樣品400固定於反應部位102上。感測裝置10C包含位於反應部位102C下方的介電層112，平均流速在反應部位102C相對較高且均勻，因此，可不需要額外的電引力。
接著，請參照第14B圖，方法可包含施加電壓於第一導電層110以將生物樣品400固定於第一反應群組102R的反應部位102A以及102B上。根據一些實施例，電壓可為交流(AC)電壓，且生物樣品400可藉由介電泳力被固定於第一反應群組102R的反應部位102A以及102B上。根據一些實施例，交流電壓的頻率可以在1KHz至1GHz的範圍內，例如，1MHz。此外，方法可包含關閉施加於第一導電層110的電壓。
再者，根據一些實施例，在施加電壓於第一導電層110以將生物樣品400固定於第一反應群組102R上的步驟之後，方法可進一步包含等待一時段使得固定穩定。根據一些實施例，時段可以在5秒至5小時的範圍內，或10秒至3小時的範圍內，或30秒至1小時的範圍內，例如，1分鐘、3分鐘、5分鐘、10分鐘、或30分鐘。
接著，請參照第14C圖，方法可包含將多餘的生物樣品400從流道300中洗去。根據一些實施例，緩衝溶液410可用於洗去多餘的生物樣品400，然後重新填充流道300。之後，如第14D圖所示，生物樣品400可固定於第一基板100上的每個反應部位102上，且一些生物樣品400可位於介電層112上，生物樣品400可充分地裝載於感測裝置10C的反應部位上。
應注意的是，根據第14A圖至第14D圖所示的實施例，由於第一導電層110以及第二導電層210為不對稱的，亦即被暴露出的第一導電層110以及第二導電層210的圖案不同，因此生物樣品400可為不帶電、帶負電荷或帶正電荷的，且它們皆可藉由介電泳力被吸引至反應部位102。
綜上所述，根據一些實施例，感測裝置可包含反應群組，其在靠近流體邊界區域的反應部位的尺寸比中心區域的反應部位大，藉此補償由於流道中的拋物線流速輪廓造成的低樣品加載率。因此，在流道的不同位置(例如，中心區域或邊界區域)的反應部位的樣品加載率可為均勻的，並且可以改善感測裝置的可靠性或性能。此外，根據一些實施例，感測裝置可以進一步包含設置於基板上的導電層，從而可以產生介電泳力或電泳力以協助將介電或帶電樣品分別吸引至反應部位，據此可增加樣品的加載效率。
雖然本揭露的實施例及其優點已揭露如上，然而，應理解的是，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離後附之申請專利範圍所界定之本揭露的精神以及範圍內，當可作更動、替代與潤飾。例如，本發明所屬技術領域中具有通常知識者能夠輕易地理解，本文描述的許多特徵、功能、過程以及材料可以在維持本揭露的範圍內的情況下進行改變。此外，本揭露之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者可從本揭露揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本揭露使用。因此，本揭露之保護範圍包含上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。
10、10A、10B、10C、10A’、10B’、10C’:感測裝置 100:第一基板 102、102A、102B、102C:反應部位 104:第一間隔層 102R:第一反應群組 110:第一導電層 112:介電層 120:感測元件 200:第二基板 202:反應部位 202R:第二反應群組 204:第二間隔層 210:第二導電層 300:流道 302:入口 304:出口 300s:流體邊界 400:生物樣品 410:緩衝溶液 500:光學顯微鏡 A-A’:截線 d1、d2、d3:直徑 DS:距離 Ex:延伸線 p:間距 W 1、W 2:寬度
藉由參考所附圖式閱讀以下詳細的描述以及示例，可以更充分地理解本揭露，其中： 第1A圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的示意圖； 第1B圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的上視示意圖； 第1C圖顯示根據本揭露一些實施例中沿著第1B圖中的截線A-A’取得的感測裝置的剖面示意圖； 第2A圖至第2C圖顯示根據本揭露一些實施例中的流道的上視示意圖； 第3圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的剖面示意圖； 第4圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的剖面示意圖； 第5圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的剖面示意圖； 第6圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的剖面示意圖； 第7圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的剖面示意圖； 第8圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的剖面示意圖； 第9圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的剖面示意圖； 第10圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的剖面示意圖； 第11圖顯示根據本揭露一些實施例中的感測裝置的剖面示意圖； 第12A圖至第12E圖顯示根據本揭露一些實施例中於感測裝置的使用方法的中間階段之感測裝置的剖面示意圖； 第13A圖至第13D圖顯示根據本揭露一些實施例中於感測裝置的使用方法的中間階段之感測裝置的剖面示意圖； 第14A圖至第14D圖顯示根據本揭露一些實施例中於感測裝置的使用方法的中間階段之感測裝置的剖面示意圖。
100:第一基板
102、102A、102B、102C:反應部位
102R:第一反應群組
300s:流體邊界
A-A’:截線
d1、d2、d3:直徑

Claims (16)

  1. 一種感測裝置，包括：一第一基板；一第二基板，與該第一基板相對設置；一流道，設置於該第一基板與該第二基板之間，該流道包括一流體邊界；以及一第一反應群組，設置於該第一基板上，該第一反應群組包括一第一反應部位、一第二反應部位以及一第三反應部位，其中該第一反應部位比該第二反應部位更靠近該流體邊界，且該第一反應部位的尺寸大於或等於該第二反應部位的尺寸，以及其中該第二反應部位比該第三反應部位更靠近該流體邊界，且該第二反應部位的尺寸大於該第三反應部位的尺寸，且其中該第一基板為一互補式金屬氧化物半導體(CMOS)基板，且該第一基板為不透明的、透明的或半透明的。
  2. 如請求項1所述之感測裝置，其中該第一反應部位的直徑大於或等於該第二反應部位的直徑，且該第二反應部位的直徑大於該第三反應部位的直徑，且該第一反應部位的直徑與該第三反應部位的直徑的比在1.1：1至2：1的範圍內，且該第一反應部位的直徑與該第二反應部位的直徑的比在1.1：1至1.5：1的範圍內。
  3. 如請求項1所述之感測裝置，其中該第一反應部位、該第二反應部位以及該第三反應部位之間的間距為相同的。
  4. 如請求項1所述之感測裝置，其中該流道包括一入口以及一出口，該第一反應部位以及該第二反應部位位於同一截線上，且該截線垂直於該入口與該出口的一延伸線。
  5. 如請求項1所述之感測裝置，更包括：一間隔層，設置於該第一基板與該第二基板之間；一第一導電層，設置於該第一基板與該間隔層之間；以及一第二導電層，設置於該第二基板上。
  6. 如請求項1所述之感測裝置，更包括：一間隔層，設置於該第一基板與該第二基板之間；一介電層，設置於該第一基板上且位於該第一基板與該間隔層之間，其中該介電層與該第一反應群組部分地重疊。
  7. 如請求項1所述之感測裝置，其中該第一反應群組係經自組裝薄膜修飾以固定一溶液中的生物樣品。
  8. 如請求項1所述之感測裝置，更包括：一第二反應群組，設置於該第二基板上，且該第二基板為透明的或半透明的。
  9. 一種感測裝置的使用方法，包括：提供一感測裝置，包括：一第一基板；一第二基板，與該第一基板相對設置；一流道，設置於該第一基板與該第二基板之間，該流道包括一流體邊界；一第一導電層，設置於該第一基板上；一第二導電層，設置於該第二基板上；一第一反應群組，設置於該第一基板上，該第一反應群組包括一第一反應部位、一第二反應部位以及一第三反應部位，其中該第一反應部位比該第二反應部位更靠近該流體邊界，且該第一反應部 位的尺寸大於或等於該第二反應部位的尺寸，以及其中該第二反應部位比該第三反應部位更靠近該流體邊界，且該第二反應部位的尺寸大於該第三反應部位的尺寸；將一含有生物樣品的溶液加載於該流道中；施加一電壓於該第一導電層以將生物樣品固定於該第一反應群組上；關閉施加於該第一導電層的該電壓；以及將多餘的生物樣品從該流道中洗去。
  10. 如請求項9所述之感測裝置的使用方法，其中該電壓為一直流電壓，且生物樣品藉由電泳力被固定於該第一反應群組上。
  11. 如請求項9所述之感測裝置的使用方法，其中，該電壓為一交流電壓，生物樣品藉由介電泳力被固定於該第一反應群組上，且該交流電壓的頻率在1KHz至1GHz的範圍內。
  12. 如請求項9所述之感測裝置的使用方法，其中該感測裝置更包括一間隔層，該間隔層設置於該第一基板與該第二基板之間。
  13. 如請求項9所述之感測裝置的使用方法，其中該感測裝置更包括一介電層，該介電層設置於該第一基板上且將該第一導電層分隔開，其中該介電層與該第一反應群組部分地重疊。
  14. 如請求項9所述之感測裝置的使用方法，其中該感測裝置更包括一第二反應群組，該第二反應群組設置於該第二基板上。
  15. 如請求項9所述之感測裝置使用的方法，在施加 該電壓於該第一導電層以將生物樣品固定於該第一反應群組上的步驟之後，更包括反轉該電壓的方向以將生物樣品固定於該第二反應群組上。
  16. 如請求項9所述之感測裝置使用的方法，在施加該電壓於該第一導電層以將生物樣品固定於該第一反應群組上的步驟之後，更包括等待一時段，其中該時段在5秒至5小時的範圍內。
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