TWM445178U

TWM445178U - 結合光學平台之微流體晶片自動化系統

Info

Publication number: TWM445178U
Application number: TW101212200U
Authority: TW
Inventors: Chin-Feng Wan
Original assignee: Chin-Feng Wan
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2013-01-11
Also published as: US20130345096A1

Description

結合光學平台之微流體晶片自動化系統

本案係關於一種微流體晶片自動化系統，尤指一種結合光學平台之微流體晶片自動化系統。

生物檢測晶片（biochip）是一種微型裝置，利用微機電技術將儀器微小化，然後在微小化後的裝置上放置特定的生物材料（例如核酸或蛋白質），這些生物材料可以與其他預測生物樣品發生特異性的生化反應，反應後的訊號可經由各種感應器或感應物質定量，進而得知生物反應。此種利用微機電及生物技術所製出的微型裝置稱之為生物檢測晶片，例如微流體晶片（microfluidic chip）或實驗室晶片（lab-on-a-chip），它結合了各層面的專業領域，如醫學診斷、基因探針、製藥、生物技術、微機電、半導體及電腦等領域發展而成的。

近年來由於生物醫學的迅速發展及個人健康意識的抬頭，使得快速的症狀篩檢及正確疾病診斷的需求越來越受到重視，而各醫療單位或研究單位也致力於尋求可自動化、平行化及大量化檢測的平台。藉助於微機電技術的開發與成熟，微流體晶片在近幾年也成為快速發展的研究領域。由於微流體晶片係利用微機電技術使複雜的生化反應，包括取樣、樣品前處理、樣品分離、試劑反應、偵測等複雜功能，整合於一小面積的微流體晶片上，故具有低成本、快速檢測、及試劑與樣品消耗少之優點。因此，本案亦致力於開發一種微流體晶片自動化系統。

另一方面，無論是在晶片合成階段或是檢測階段，皆有賴光化學反應之進行，因此，如何整合光化學反應之光路系統於微流體晶片自動化系統中，也是本案所要研究的課題。

本案之主要目的在於提供一種結合光學平台之微流體晶片自動化系統，藉此達成自動化生物檢測，並加速檢測流程及達成大量化檢測。

本案之另一目的在於提供一種結合光學平台之微流體晶片自動化系統，其係可根據光學平台中數位微鏡裝置之預設圖案進行光學成像，將光束導向樣品平台上之微流體晶片，以控制光化學反應發生之位置。

為達上述目的，本案之一較廣義實施態樣為提供一種結合光學平台之微流體晶片自動化系統，包含一微流體晶片平台及一光學平台。該微流體晶片平台包含：一微流體晶片，具有一基板層、一流體層及一氣體控制層，該基板層具有一微陣列反應區，該流體層設置於該基板層上方，且具有供試劑注入及匯流之管道，該氣體控制層設置於該流體層上方，用以控制該管道之開關作動俾使該流體層內的液體流動；一流體供應源，包含該試劑，係分別注入該微流體晶片之該流體層；一氣壓源，係對該微流體晶片之該氣體控制層灌注與釋放高壓氣體；以及一控制器，係與該氣壓源連接，且具有複數個電磁閥，俾藉由該電磁閥控制該氣壓源對該微流體晶片灌注與釋放高壓氣體之時序。該光學平台包含一光源、複數個透鏡、一數位微鏡裝置、一光柵裝置及一反射鏡，用以導引該光源所提供之光束至該微流體晶片平台之該微流體晶片上，其中該數位微鏡裝置包含複數個微型反射鏡元件，並由一電腦控制該複數個微型反射鏡元件之光開關狀態，以控制該微流體晶片上發生光化學反應之位置。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第1圖，其係為本案較佳實施例之結合光學平台之微流體晶片自動化系統示意圖。如圖所示，本案之結合光學平台之微流體晶片自動化系統主要包含一微流體晶片平台A及一光學平台B，以下將進一步說明微流體晶片平台A及光學平台B之細部結構及配置。

請參閱第2圖，其係為本案較佳實施例之微流體晶片爆炸圖。如圖所示，微流體晶片1包括一基板層2、一流體層3及一氣體控制層4。基板層2包括一微陣列反應區20，流體層3覆蓋於基板層2上，且具有供樣品及試劑注入及匯流之流道，氣體控制層4則覆蓋於流體層3上，用以控制管道之開關作動俾使流體層3的液體流動。

流體層3係由聚二甲基矽氧烷（polydimethyl siloxane, PDMS）製成，具有面對基板層2之第一表面31及面對氣體控制層4之第二表面32，且包括複數個溶液入口33、複數個微管道34、緩衝區39、一分流區35、一反應區36及一溶液出口37。複數個溶液入口33係開口於第二表面32，可供樣品、試劑及清洗液等從不同溶液入口33注入流體層3，複數個微管道34則係凹陷於流體層3之第一表面31，且連接於複數個溶液入口33及緩衝區39之間。緩衝區39、分流區35及反應區36同樣凹陷於流體層3之第一表面31，且緩衝區39與分流區35相連通。當樣品及試劑需要混合時，分流區35可提供作為流體之匯流混合區域，而反應區36則與分流區35相連通，且對應於基板層2上之微陣列反應區20，樣品中之待測分子便於此處與探針分子進行特異性反應，達到生物檢測之目的。溶液出口37開口於第二表面32，反應完之廢液即可由此排出。

請再參閱第2圖並配合第3圖，其中第3圖係為氣體控制層疊置於流體層上時之圖案相對位置示意圖。氣體控制層4係由聚二甲基矽氧烷（polydimethyl siloxane, PDMS）製成，具有面對流體層3之第一表面41及與第一表面41相對之第二表面42，且包括複數個第一穿槽43、一第二穿槽44、複數個微閥門45及一組微幫浦46。第一穿槽43係分別對應於流體層3之複數個溶液入口33而設置，並與複數個溶液入口33相連通，而第二穿槽44則對應於流體層3之溶液出口37而設置，並與溶液出口37相連通。複數個微閥門45係可被驅動氣體及少部份水而迫使流體層3阻塞微管道34之圓形孔洞薄膜34a或放開使微管道34流通，一組微幫浦46則可被驅動而促使微管道34內之流體往反應區36方向流動。

每一微閥門45係相對於每一微管道34而設置，且具有一閥門氣孔451及一閥門氣室452，其中閥門氣孔451係開口於第二表面42，閥門氣室452則凹陷於第一表面41且對應設置於微管道34的圓形孔洞薄膜34a上方。閥門氣孔451係與一矽膠管及一電磁閥組接，可使氣體灌注至閥門氣室452，迫使閥門氣室452下方之流體層3往下擠壓陷入微管道34的圓形孔洞薄膜34a中而阻塞微管道34的液體流動，故可透過對閥門氣室452灌氣及洩氣來控制管道閥門開關作動，且當洩氣時，原本被擠壓阻塞微管道34之流體層3的薄膜會往上彈回復原而產生負壓吸力，促使流體在微管道34中流動。

在第2圖所示實施例中，氣體控制層4上具有一組微幫浦46，此組微幫浦46包括至少三幫浦氣孔461及至少三幫浦氣室462。幫浦氣孔461係開口於第二表面42，幫浦氣室462連通於對應之幫浦氣孔461，且凹陷於第一表面41並設置於分流區35上方。幫浦氣孔461係與一矽膠管及一電磁閥組接，可使氣體灌注至幫浦氣室462，迫使幫浦氣室462下方之流體層3往下擠壓陷入分流區35中而阻塞分流區35。由於此組微幫浦46之三幫浦氣室462係分設於分流區35之不同區段上方，故藉由依序對此組微幫浦46之三幫浦氣室462進行灌氣及洩氣，可使三幫浦氣室462與被擠壓凹陷的分流區35部位相配合構成一蠕動幫浦作用，而持續將流體推送至反應區36中進行反應。

此外，流體層3更包含一集液管道38，其係凹陷於流體層3之第一表面31，且連通於反應區36及溶液出口37之間，而氣體控制層4更包括一集液閥門47，其係相對於集液管道38而設置，且具有一閥門氣孔471及一閥門氣室472，其中閥門氣孔471係開口於氣體控制層4之第二表面42，閥門氣室472則凹陷於氣體控制層4之第一表面41且設置於集液管道38上方。閥門氣孔471係與一矽膠管及一電磁閥組接，可使氣體灌注至閥門氣室472，迫使閥門氣室472下方之流體層3往下擠壓陷入集液管道38中而阻塞集液管道38，故可透過對閥門氣室472灌氣及洩氣來控制閥門之開關作動，且當洩氣時，原本被擠壓阻塞集液管道38之流體層3會往上彈回復原而產生負壓吸力，促使流體在集液管道38中流往溶液出口37，以排出反應完之廢液。

舉例來說，流體層3之厚度約為42 µm，微管道34之高度約為10 µm~18 µm，而氣體控制層4之厚度約為4 mm，閥門氣室452、472及幫浦氣室462之高度約為100 µm，但不以此為限。當然，前述溶液入口33、微管道34、第二穿槽44及微幫浦46的數量及配置方式也可依需求而調整而不受限於第2圖所示之實施例。

請再參閱第1圖，微流體晶片平台A主要包含微流體晶片1、一流體供應源、一氣壓源6、一控制器7及一電腦8。微流體晶片1係放置於一樣品平台98上，其可設置於一顯微觀測裝置上，以觀測微流體晶片1上之反應。流體供應源係包含樣品、試劑及清洗液等，並各自藉由流體管線5注入微流體晶片1上對應溶液入口33之第一穿槽43。氣壓源6係為內裝高壓氣體（例如氮氣）之鋼瓶或空氣壓縮機，用以對微流體晶片1灌注與釋放高壓氣體，其中，氣壓源6可連接一流量計61，用以控制氣壓源6之輸出流量。控制器7係與氣壓源6連接，並藉由電磁閥72來控制氣壓源6對微流體晶片1灌注與釋放高壓氣體之時序，其中氣體係經由氣體管線75注入微流體晶片1上之閥門氣孔451、471及幫浦氣孔461。電腦8則與控制器7連接，可藉由電磁閥控制軟體之程式設定來控制電磁閥72之開關。

請參閱第4圖，其係為本案較佳實施例之微流體晶片之控制器內部結構示意圖。如圖所示，控制器7主要包含一分流裝置71、複數個電磁閥72、一電路板73及一數位界面卡74。分流裝置71係具有一本體711及複數個分叉頭712，其中本體711係與各個分叉頭712相連通，而各個分叉頭712則與複數個流體管線5個別連接，其中，流體供應源之各樣品、試劑及清洗液等係先灌注到流體管線5內，再將流體管線5之一端與各個分叉頭712連接，另一端則與微流體晶片1上之對應入口連接。為了提供推進動力予流體管線5內之流體，分流裝置71係可獨立與另一氣壓源51連接，該氣壓源51同樣可為內裝高壓氣體（例如氮氣）之鋼瓶或空氣壓縮機，且由流量計52控制氣壓源51之輸出流量，而由於來自氣壓源51之氣體可先在本體711中達到平衡狀態，再從各個分叉頭712分流出去，如此可使得每個流體管線5具有相同之流量並且平衡氣體。複數個電磁閥72係設置於固定座721上，固定座721與氣壓源6連接，且複數個電磁閥72個別與氣體管線75之一端連接，而氣體管線75之另一端則與微流體晶片1上之對應氣孔連接。又，複數個電磁閥72係與電路板73連接，而電路板73則與數位界面卡74連接再與電腦8連接，藉此由電腦8來驅動電磁閥72之開啟與關閉，以控制氣體經由氣體管線75注入微流體晶片1上各氣孔之時序。

在一實施例中，電磁閥72係為三孔的電磁閥，且其開啟與關閉主要由電磁閥控制軟體（例如Lab View軟體）來控制，其係將數位化輸入輸出計時操作之電腦界面卡的電子勢能轉換為不同之氣體壓力（介於0~0.15 MPa）。請參閱第5圖，其係為本案較佳實施例之電磁閥控制軟體之示意圖。如圖所示，橫軸係表示電磁閥所控制的流道，縱軸則表示依時間順序所控制的步驟（方格內係由使用者自行填入時間），其中實心圓圈即表示電磁閥為開啟狀態，空心圓圈則表示電磁閥為關閉狀態。因此，藉由電腦8進行自動控制，可程式化多個步驟的反應，並且自動化地導入每個反應的樣品、試劑及清洗液等，當氣體灌注至氣體控制層4各氣室452、462、472時，即可迫使其下方之流體層3往下擠壓陷入而阻塞流道中的液體流動，故可透過對各氣室452、462、472灌氣及洩氣來控制流道之流通與否，同時可控制所需要的液體體積多寡。因此，藉由建構本案結合光學平台之微流體晶片自動化系統，即可應用於多試劑的平行多工化分析，以完成多步驟的生化反應流程。

請再參閱第1圖，本案之光學平台B係為一種無光罩微影之光路平台，主要包含一光源91、一第一透鏡群92、一數位微鏡裝置（Digital Micromirror Device, DMD）93、一光柵裝置94、一第二透鏡95、一反射鏡96以及一第三透鏡97。本案之光學平台B係可根據數位微鏡裝置93之預設圖案進行光學成像，將光束導向樣品平台98上之微流體晶片1，以控制微流體晶片1上發生光化學反應之位置。

光源91係架構以提供一光束。在一實施例中，光源91係為高壓汞燈，但不以此為限，用以提供UV光束。第一透鏡群92係架設於光源91及數位微鏡裝置93之間，且包含至少兩透鏡，用以將光源91所發散出之光束導引至數位微鏡裝置93。在一實施例中，第一透鏡群92包含三透鏡921、922、923，但不以此為限，且可根據成像需求，計算透鏡曲率作搭配，以達成最佳之光束導引效果。此外，透鏡921、922、923皆為平凸透鏡，但不以此為限，例如亦可為雙凸透鏡，或是平凸透鏡與雙凸透鏡之組合。

數位微鏡裝置93係包含複數個微型反射鏡元件931（如第6圖所示），且可排列成所需之陣列大小。複數個微型反射鏡元件931係與電腦8連接，並由電腦8控制其光開關狀態，以形成一圖案化光束，其中，電腦8具有經設計之影像圖案，並可轉成控制訊號，調整微型反射鏡元件931之鏡面方向，以控制其光開關狀態，亦即個別控制每一個微型反射鏡元件931切換於導引光束朝向光柵裝置94，或者是切換於將光束導離光柵裝置94。藉此，電腦8便可依據所需的影像圖案來控制複數個微型反射鏡元件931之作動，以將光源91所提供之光束轉換產生圖案化光束並朝向光柵裝置94。

光柵裝置94係包含一可調式光柵窗941，用以使部分之圖案化光束通過，且光柵窗941之大小可調整，以控制進光量，藉此增加光對比度及影像圖案之解析度。當然，光柵裝置94之光柵窗941的的孔洞大小可依不同需求進行調整而不受限。

圖案化光束通過光柵裝置94之光柵窗941後會投射到第二透鏡95，並接著由第二透鏡95將圖案化光束導引至反射鏡96，反射鏡96係用以改變圖案化光束之路徑以朝向樣品平台98之方向，並經由第三透鏡97將圖案化光束導引至樣品平台98。在一實施例中，第三透鏡97係為一聚焦透鏡。

因此，經整合微流體晶片平台A及光學平台B，本案之微流體晶片自動化系統可應用於生物檢測晶片之製造。舉例來說，要在生物檢測晶片上定義出微陣列結構，則必須先在晶片之基材上形成一光阻圖案層，其係首先於基材之表面上形成一光阻層（例如環氧樹脂類的SU-8光阻），並利用光學平台B於光阻層之特定區域上照光，使光阻產生聚合反應，再利用顯影液將未產生聚合反應的光阻洗掉，以形成光阻圖案層，之後再將探針分子（例如核酸或蛋白質）結合於光阻圖案層上，以完成生物檢測晶片之製造。而利用本案之無光罩微影系統來形成光阻圖案層，不但可免除傳統光罩之高成本，且可有效微小化生物檢測晶片之微陣列結構，使單點直徑可小於300μm，進而有助於生物檢測晶片之微量化，且具有製程方便快速之優點。

此外，本案之微流體晶片自動化系統亦可應用於DNA合成，其係利用照光產生斷鍵，脫去核苷酸5’端之保護基團後，再加入欲接上之核苷酸（包括A、T、C、G等）進行合成反應，之後經流洗去除未反應之核苷酸後，再反覆進行照光、加入核苷酸及流洗之步驟，便可依序合成具所需序列之DNA。因此，藉由微流體晶片平台A控制各反應步驟及光學平台B控制照光位置，即可決定晶片上於每一合成步驟中接上核苷酸的位置，便可在同一製程中，於晶片上合成多條具不同序列之DNA，即可製備出DNA晶片，用於疾病篩檢或其他生物檢測。

綜上所述，本案係提供一種結合光學平台之微流體晶片自動化系統，其主要包含微流體晶片平台及光學平台，可利用電腦來程式化控制電磁閥之開關，以進一步控制微流體晶片中之液體流動，藉此達成自動化生物檢測之目的，以及光化學反應之應用。由於微流體晶片係將生物檢測整合於一小面積的晶片上，故液體的行為在微尺吋下可使得分子擴散及分子之間的作用獲得良好的控制，同時具有低成本、快速檢測、及試劑與樣品消耗少之優點，且利用本案之自動化檢測系統，更可加速檢測流程及達成不同樣本之大量化檢測，將有助於快速症狀篩檢及正確疾病診斷。另外，藉由光學平台之整合，亦可使微流體晶片自動化系統應用於光化學反應之控制，故可進一步應用於生物檢測晶片之製造，例如在晶片之基材上形成微陣列結構，或是用於DNA合成等。因此，本案極具產業價值，爰依法提出申請。

本案已由上述之實施例詳細敘述而可由熟悉本技藝之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

A‧‧‧微流體晶片平台

B‧‧‧光學平台

1‧‧‧微流體晶片

2‧‧‧基板層

20‧‧‧微陣列反應區

3‧‧‧流體層

31‧‧‧第一表面

32‧‧‧第二表面

33‧‧‧溶液入口

34‧‧‧微管道

34a‧‧‧圓形孔洞薄膜

35‧‧‧分流區

36‧‧‧反應區

37‧‧‧溶液出口

38‧‧‧集液管道

39‧‧‧緩衝區

4‧‧‧氣體控制層

41‧‧‧第一表面

42‧‧‧第二表面

43‧‧‧第一穿槽

44‧‧‧第二穿槽

45‧‧‧微閥門

451‧‧‧閥門氣孔

452‧‧‧閥門氣室

46‧‧‧微幫浦

461‧‧‧幫浦氣孔

462‧‧‧幫浦氣室

47‧‧‧集液閥門

471‧‧‧閥門氣孔

472‧‧‧閥門氣室

5‧‧‧流體管線

51‧‧‧氣壓源

52‧‧‧流量計

6‧‧‧氣壓源

61‧‧‧流量計

7‧‧‧控制器

71‧‧‧分流裝置

711‧‧‧本體

712‧‧‧分叉頭

72‧‧‧電磁閥

721‧‧‧固定座

73‧‧‧電路板

74‧‧‧數位界面卡

75‧‧‧氣體管線

8‧‧‧電腦

91‧‧‧光源

92‧‧‧第一透鏡群

921、922、923‧‧‧透鏡

93‧‧‧數位微鏡裝置

931‧‧‧微型反射鏡元件

94‧‧‧光柵裝置

941‧‧‧光柵窗

95‧‧‧第二透鏡

96‧‧‧反射鏡

97‧‧‧第三透鏡

98‧‧‧樣品平台

第1圖係為本案較佳實施例之結合光學平台之微流體晶片自動化系統示意圖。

第2圖係為本案較佳實施例之微流體晶片爆炸圖。

第3圖係為本案較佳實施例之氣體控制層疊置於流體層上時之圖案相對位置示意圖。

第4圖係為本案較佳實施例之微流體晶片之控制器內部結構示意圖。

第5圖係為本案較佳實施例之電磁閥控制軟體之示意圖。

第6圖係為本案較佳實施例之數位微鏡裝置之示意圖。