TWI329741B - Integrated solid-phase hydrophilic matrix circuits,micro-arrays,and micro reactor devices with integrated fluidic i/o and the bioassay devices contain thereof - Google Patents

Description

1329741 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種具有整合之流體入口及出口的分析 裝置及微陣列，該裝置由平面固相親水性基質環道構成，其 中平面固相親水性基質環道包含乾燥化學試劑，親水性基質 環道被密封於氣體可滲透之電絕緣體中，該裝置可用於微量 生物分析、混合物分離及反應。 【先前技術】 隨著實驗速度、生產力及内容複雜度的增加（每次實驗所 需決定的數量），在過去十年間實驗室科學經歷了重大的進 步。新技術大幅提高了檢測速率及新化學合成物的分析速 度。為了明瞭人類基因而進行的大量基因定序使得高處理能 力儀器的發展成為必須，同時實驗分子生物學也不斷地驅使 高處理量及多效能儀器的發展。 製藥工業的需求迫使高處理量儀器成為必須。這是由 於基因及蛋白質的研究使得藥物標的辨識速率大幅提高，並 且新化合物的合成速度也藉由組合化學方法而巨幅增長。測 試化合物資料庫中的大量候選藥物化合物與眾多藥物目標 作用的能力是當前藥物工業的瓶頸所在。 多效能儀器能在單一實驗中決定多種不同變數。例如 DNA微陣列及蛋白質晶片已可在單一實驗中用來研究受到 6 1329741 特殊疾病或治療影響的細胞基因或蛋白質。 無論是用於基因體學領域中的核酸定序、單一核苷酸 多型性定序或基因表現實驗，或是用於蛋白體領域中蛋白質 表現或蛋白質功能研究，或用於藥物開發中測試化合物，都 需要一個更高處理量及更高效能的分析儀器。 對於分子生物學家及藥物發展科學家而言，提昇測試 潛力藥物化合物的實驗處理速度很明顯地並不能使藥物發 現的速度也提昇至相同層度。科學家持續揭露細胞組成程序 的複雜性：蛋白體中的巨大蛋白質補體多於近來從一蛋白質 一基因模型所推論的數量，及訊號傳遞過程中的蛋白質與基 因控制和諧結合蛋白質兩者間有微妙相互作用（基因控制和 諧係藉由大量蛋白質控制轉錄操控），科學家已發現規律的 程序（及這些程序中缺陷所造成的疾病狀態）依賴多重訊號 與刺激的整合。細胞組成程序係利用受濃度影響的訊號反應 及受時間和位置專一性影響的細胞間相互作用。現行的高處 理量實驗中，被測試的最適當處理化合物數量（相對於無限 量的io6G潛力候選化合物）顯示對特異性目標蛋白質或核酸 反應的活性（例如增進或抑制受器/配體結合相互作用或增 進或抑制酵素-基質作用）一般會影響許多其他反應。生物程 序的巨大複雜性與微妙差異，突顯了在習知的高處理量實驗 方法中，被過分簡化的單因子、平衡或穩定的體外檢測的限 制性。為了更進一步模擬複雜的體内反應，更複雜、多變數 的體外檢測方法已被使用，包含利用在體外檢測反應器中存 活細胞的高效能檢測。未來提高處理量的實驗方法必須同時 提高實驗處理量及實驗效能到現在仍未被認知的層次，並且 7 1329741 實驗裝置在放大處理量及增加處理内容後並不能對檢測執 2成效有重大的#害。既然製藥工業分配給這方面的預算不 能等量提高’很清楚地’檢測實驗必須能達到比現行技術更 高處理量及更高效能的層:欠，並且相對於低處理量的檢測方 法而言’檢測必須能在不损害數據品質的情況下降低數據成 本〇 ^為了使分析儀器達到高處理量或高效能分析而採用的 策略’最廣泛的就是平行處理大量檢測。如下面所討論的， ^數種不同的方法可藉由平行程序而放大實驗，—般情況下 每些方法幾乎都有兩個基本特徵。第一，採用平行程序方法 的裝置包含-通常安裝在平面固相支推物上的微反應器陣 列。第二，藉由微小化的路徑來放大處理量。在溶液、活體 細胞或藥物候選化學合成物中目標分子，如dna、及 蛋白質片段’-般都非常微量且昂貴。在現今的技術中，試 劑與樣本是實驗中最主要的花費成本。@此以微小化作為 放大處理量路徑，能使每次檢驗所需的試劑與樣本減少，因 而節省成本。 一種在陣列上的高處理量平行實驗方法是延長平行實 驗的路徑並縮小尺寸，如微平盤上的實驗。微平板上的孔洞 ，反應器的平面陣列能藉由增加平盤上的孔洞達到高處理 篁，並因此降低每一孔的體積（最近的例子請參考美國專利 公告號6,229,603 61)。現行慣用的高處理量裝置的標準尺寸 為具有96及384孔的12.8Cm X 8.6 cm平盤。現在1536孔 平盤已開始使用’並且已知有_孔標準尺寸平盤的超高 處理量裝置。工業界希望使用使用9_孔或更多孔的平 1329741 盤。現今微平盤技術的反應體積為1毫升或更大，但需要發 展更小反應體積的裝置，特別是應用於只能取得微量樣本或 試劑昂貴的實驗。 微平盤陣列上的每一孔都提供一不連續的微反應，在 當下的技術中，每一孔加入微升UL)的樣品量與其他化學 反應所需試劑。偵測器用來監測每一孔的化學反應，光學偵 測如螢光計是較佳的方式。在使用典型的高處理量裝置時， 不同的化合物液體從化合物貯存平盤輸送至一平行的液體 分散管。樣品與其他檢測試劑係藉由機器控制流體操縱裝置 輸送，機器控制流體操縱裝置包含微量管陣列、毛細管、幫 浦及其他相似元件。勻相及異相反應都在孔洞平面陣列中進 行，同相酵素-基質反應及候選藥物化合物對其反應，可藉 由螢光產生基質的螢光強度改變來監測。均勻、溶液相的受 器/配體結合反應及候選化合物於其上的作用，可藉由眾多 螢光技術中最受歡迎的一種一螢光偏極化技術來監測（例如 美國專利公告號5,641，633及5,756,292,用於核酸之螢光偏 極化檢測）。在異相反應中，當反應物附著在固體表面時發 生異相反應。試劑或樣品固定在孔洞表面或固定於反應槽中 珠粒的表面（例如，美國專利公告號6,210,891 B1描述一核 酸引子在一固定DNA樣本之珠粒上的延伸（extension)反 應）。 在整合度低的情況下，微平盤反應器陣列可完成複雜 的實驗安排，如添加數種試劑、控制反應時間、清洗、珠粒 分離及其他相似步驟。但是這些複雜的反應步驟在微小化與 自動化平行運作上較為困難與昂貴，這是由於提供或從微反 9 應器孔洞（流體入口/出口）移除化學物質的流體入口與出口 裝置變得太過複雜的緣故。因此，必須採取有效的方法使樣 本的使用延伸，並快速平衡雙分子勻相反應，使高度平行自 動化及低反應體積更為容易。因為傳送試劑給高密度陣列平 盤造成時間延遲，量測暫留時間變得不可能。給每一個孔洞 多種劑量在高密度下也變得不可能。取代的是，可藉由在多 個孔洞下操作相同反應但不同濃度試劑而獲得劑量反應曲 線。在微陣列領域的工作者對平行實驗採取不同的方式。 微陣列是一種由乾燥試劑以陣列方式固定於非孔洞平面基 材所組成的裝置，能夠執行多種内容的檢測：許多異相受器 /配體結合微反應在單一樣本上平行進行。在這種裝置中， 平面支撐表面（通常是玻璃板或矽晶圓）由微小的反應區域 陣列構成，每一個微區域都有一種不同的化合物附著於平面 基材的表面。此技術最常見的型式是以螢光讀取器或掃描器 偵測每一個微區域發生的化學反應。在使用上，該微陣列浸 於一包含樣本的槽中以供分析，並使其他化學物質能在平面 微區域中反應。在這種型式的裝置中只有異相反應能被執 行。基因領域中的工作者已經發展出將微陣列化的核酸 (cDNA及寡核苷酸）固定於平板表面，此種裝置稱為基因晶 片或印刷DNA陣列。關於此議題的一系列文獻回顧發表於 Nature Genetics Supplement, vol. 21(1), January 1999。每一 個微小的區域上都有一具有特殊鹼基序列核酸固定於表 面，該鹼基序列一般而言都不一樣。在使用上，該核酸微陣 列與含聚核酸分子(DNA、RNA或pDNA)的測試液體接觸而 進行檢測，其中測試液體中的聚核酸分子已事先以報導分子 (如螢光標記）標示。當測試液體中的聚核酸分子具有與固著 1329741 於微陣列上的鹼基序列的互補序列時，兩者間會有很強的結 合反應；在結合反應之後，清洗以移除微反應區域上未結合 的聚核酸；然後以螢光掃描器讀取微陣列。微區域上的結合 反應能藉由該位置上的螢光而被偵測到。核酸雜交微陣列已 用於進行定序實驗（美國專利公告號5,202,231及 5,695,940)及決定特殊核酸序列變異的存在，如單核酸多型 態（美國專利公告號5,837,832)。然而，微陣列使用最廣泛的 領域是基因表現（例如：參考“ Microarray Biochip Technology” ed. Mark Schena, Eaton Publishing 2000 第七 章）。 核酸微陣列有數種不同的型式，包含固著於表面的寡 核苷酸陣列（美國專利公告號5,445,934、5,744,305及 5,700,637)，其製造方式可使用原有的光罩蝕刻製程（美國專 利公告號5,405,783及5,489,678)與喷墨印表（例如可參考 T.R. Hughes et al. Nature Biotechnology, vol, 19, p342-347, 2001)或以分離式晶片（〇ff-chip)方式製造然後再以陣列打點 器固定於平面基材上（例如可參考美國專利公告號 5,807,522)。另一種型式為cdNA陣列，也可以點製方式製 作。基因研究學者預期微陣列的應用範圍不只限於核酸雜交 反應，例如能進一步在微陣列上進行PCR(美國專利公告號 6,248,521)與引子延伸（美國專利公告號5 547 839及 6,210,891)。 微陣列能成功的原因之一是因其具有在單一批次程序 中使用非常微量的樣本與試劑執行多樣檢測（許多不同的受 器/配體結合實驗：核酸雜交反應或蛋白質結合）的能力。例 11 1329741 如在核酸雜交反應中，將具有20,000反應位置的微陣列玻 璃基板浸於約1毫升的樣品中，雜交反應發生在直徑100毫 米且固著寡核苷酸含量約皮莫爾（picomole)的區域中，反應 所需的樣本體積約為50奈升（nano-liter)。微陣列能成功的 另一原因在於其本身的程序簡單。如眾人所知，核酸雜交反 應之熱力學與動力學與序列有關，因此在單一實驗的情況 下，在兩個有陽性序列配對位置上發生的雜交反應數量可能 相當不同。由於前述與其他眾多原因，現行技術領域中的簡 單雜交反應微陣列是一種無法定量的裝置。在此限制下，發 展出多種具差異性或類似的雜交反應方法（例如參考 “Microarray Biochip Technology” ed. Mark Schena, Eaton Publishing 2000，第七章）。在典型的差異性基因表現實驗 中，cDNA的兩個樣本共雜交於在陣列上。從細胞RNA萃 取物製備的cDNA以螢光染劑花青素-3(Cyanine-3)(或花青 素-5)標記，從控制組細胞RNA萃取物製備的cDNA以螢光 染劑花青素-5(或花青素-3)標記；量測花青素-3與花青素-5 兩種不同波長的螢光，相對的雜交反應量指出研究細胞特殊 基因相對於控制組的基因表現程度。一種用於控制雜交反應 與推論結果的較佳定量方法描述於美國專利公告號 5,632,957、5,653,939及6,017,696中，在這些專利中教示具 有位置專一電子位址的微陣列，經由施加於電極上電壓能立 即準確且判斷該特定控制位置上的雜交情形。現行DNA微 陣列技術的另一個問題是低濃度量測困難。在基因表現實驗 裡，當RNA只從小數目的細胞中收集時，低含量的 mRNAs(每一細胞轉錄一次或更少）不易單獨地被判斷出 來。然而，低含量mRNAs轉譯的低濃度訊號蛋白質經常是 12 1329741 研究者最感興趣的研究課題。使用酷·胺（tryamide)訊號放大 的酵素放大技術已經用於基因表現陣列，以使檢測極限改善 10-50 倍（例如參考 Adler et al. Microarray Biochip Technology ed· Mark Schena 第 10 章）《* 使用與核酸陣列相同設計原理並應用於臨床診斷之蛋 白質陣列已經被揭露（美國專利公告號5,432,099)。最新的蛋 白質微陣列已經發展來在高處理量分子生物應用中研究蛋 白質與蛋白質間的相互作用（MacBeath et al. Science，289 (5485)，pp 1760-1763, 2000)。 不像DNA微陣列實驗中的核酸能以自由分子的方式檢 測而不會形成複合物，細胞萃取物樣本中的蛋白質不會以單 一不連續分子的型態存在，而經常以巨大多分子蛋白質複合 物方式結合。在細胞蛋白質結合實例中，結合反應的動力學 與熱力學對於一蛋白質與其結合對象而言是獨特的。結合常 數(K)變動廣泛（1〇6 < κ < 1013 L/mole)。陣列表面蛋白質與 捕捉分子的結合常數變動範圍也很廣》無論是以複合物型式 與其他蛋白質結合、或在陣列上與捕捉分子結合（自由與複 合蛋白質都會被捕捉）的細胞蛋白質結合常數，.都與反應環 境有關：溫度、pH、離子強度、親水性對親脂性環境、特 殊離子濃度、溶解的氧氣、辅助因子（cofactor)及其他相似條 件》並且，由於自由與複合蛋白質的相對數量與濃度有關， 因此會受到實驗中使用的細胞萃取物稀釋程度的強烈影響。 在核酸陣列或蛋白質晶片中，捕捉分子可以多種不同型 式配置陣列於浸泡在細胞萃取物樣品令的平面基材上。在特 殊捕捉位置上，一捕捉分子被設計來捕捉一單一特殊蛋白質 13 1329741 分子型式（稱為A)，相對於樣本中的其他蛋白質分子，該特 殊蛋白質分子型式與捕捉分子具有良好的專一性（通常以 1〇6分之一作為專一性的基準）。蛋白質分子A與包含A的 多分子複合物（包含蛋白質B或其他蛋白質）會在該位置上被 捕捉。因此，在A捕捉位置上有許多包含蛋白質B的非A 蛋白被捕捉，而在設計來專一捕捉蛋白質B的捕捉位置上 則會有自由B與包含部分蛋白質A的B複合物，因此喪失 了單一捕捉位置對其捕捉對象的專一性。除非能藉由徹底了 解所有參與的結合常數而解開組成訊號的各部分，否則這樣 的一個裝置會變得沒有用處。但對於一個大規模的多元件陣 列而言，這種方法是不實用的。 因此，無法期望浸泡於單一樣本槽中的簡易蛋白質陣 列能提供定量的數據。並且也無法期待從體外實驗獲得的數 據能夠作為體内相互作用的準確模型。 所以，現行技術中多效能核酸及蛋白質微陣列的一般 限制為這些微陣列只能執行簡單的雙分子異相結合反應。 然而，經由實驗室晶片（lab-on-a chip)發展者的努力， 已有另一種在平面陣列進行平行實驗的方式。此技術的微反 應器包含由蝕刻或雷射消熔法在平面玻璃基材（美國專利公 告號5,180,480)或高分子基材（美國專利公告號5,750,015)表 面形成的微流道與凹洞。在形成流道與凹洞的平面基材上蓋 上絕緣覆蓋組件。覆蓋的流道與凹洞形成毛細管道與密閉 室，即此技術領域中所稱的”微流道”。當密閉室上方的覆蓋 物有一開口時，該室即成為樣品與試劑的導入井。液體樣本 與試劑使用與微平盤技術相同的方式經由流體控制管分配 14 注入井中。之後，注入的液體填滿裝置中空的毛細管道。在 許多習知的微流體方法中，流體抽吸係藉由電動推進力控 制，在此情況下，一電極歧管與井中的液體接觸以提供動力 使流體藉由電動推進力從導入井抽入毛細管道中。在微流道 陣列中，陣列上的每一個微位置構成一由流道與井組成的微 流道反應器。在當前的技術中，實驗室晶片（lab-chip)陣列相 對於微平盤技術的平行處理量仍然較低，但此技術能進行自 動高速連續實驗，因此可藉由連續與平行操作而達到高處理 量。現行的技術中，商品化的晶片實驗室每次實驗樣本體積 約0.1微升。晶片實驗室的發展者已經揭露多種不同性能的 微流道裝置，包含大量篩檢候選藥物化合物（美國專利公告 號6,150,180)、巨分子分離（美國專利公告號4,908，112)、核 酸分離(^jWWoolleyetal.Proc.Natl.Acad.Sci.USAVol. 91, ppll348-11352，1994)、聚合鏈鎖反應（美國專利公告號 6,235,471 B1)及藉由雙去氧鏈停止的Sanger定序法與毛細 電泳尺寸分離（美國專利公告號5,661,028)。美國專利公告號 6，103,479揭露一微區域陣列，其具有不同細胞結合位置並 使細胞固定在與具有蝕刻凹洞與流道之微流道平面基板鍥 合之平面表面上。 雖然複雜的流體控制能力已經展現在蝕刻流道結構 中，此技術領域中的實驗室晶片裝置仍然只是建構在晶片上 的實驗室玻璃器皿。傳統實驗室晶片裝置採用的電動幫浦無 法如可提供複雜反應的微平盤裝置一樣適用於結合運送試 劑的檢測方式，並且當提供的化學物與試劑來源在晶片外時 也是一個值得注意的問題。因此，改變多組成複雜反應實驗 的尺寸至小體積與高平行操作的能力受限於提供實驗室晶 15 1329741 片流體入/出口的能力。高處理量篩檢儀器的發展者之一使 實驗室晶片裝置能適用於微平盤的小體積流體樣本。在該裝 置中一實驗室晶片需要利用電量管從微平盤孔中經一連串 次微升方法定量樣本以供反應用（美國專利公告號5,942,443 及6,235,471)。該實驗室晶片與不可缺的電量管步驟依次從 微平盤的每一孔中取樣。為了達到高處理量，樣本在實驗室 晶片上經一系列反應安排快速處理。然而，這種方法仍然受 到限制，因為此方法只有在每種檢能快速處理時才能放大至 高處理量。 還有另一種平行實驗方式是整合已知的固相反應方 法。在這些方法中，反應在多孔或凝膠平板上進行。此技術 領域的裝置包含在多孔性基材或如傳統用於墨點法的凝 膠，例如可歸類為固相反應的平行電泳分離之多通道凝膠板 (例如參考美國專利公告號5,993,634)上的核酸陣列，及點在 以連續方式灌注試劑的平面凝膠板上的陣列大量篩檢方法 (美國專利公告號5,976,813)。在連續反應方法中，樣本點在 一種或多種其他包含反應試劑平板壓製成的多孔性平板 上。在檢測時，樣本與試劑在平板上擴散而混合。使用這種 方法，連續處理裝置能避免其他陣列技術流體入/出錯综複 雜的問題。然而，點與點的分離相對較大（數厘米），因為個 別反應微區域必須分離良好以避免與鄰近微區域沿著平面 板擴散的反應化合物混合。樣本體積大，在1〜1〇微升範圍 内，試劑體積更大，因為試劑包含平板未使用到的點與點區 間面積。 總結來說，習知技術的高處理量微反應器陣列受到下 16 1329741 列數種原因之一的限制。微平盤孔，甚至是高達同時有1536 孔的平盤’在現在的技術下仍然需要相對而言較大的微升體 積樣本與試劑。每次檢測成本仍然太高。這些裝置對於執行 單一雙分子同相反應相當有效率，並且可進一步放大至多平 行操作及降低體積，但這些裝置並不容易達到微陣列可及的 微反應器密度或奈升（nano-liter)反應體積。更進一步，多組 成反應型式，如需要時間運送一種或多種樣本及/或多種試 劑、清洗或純化與分離步驟，對於微平盤技術而言都太過複 雜。以次微升反應體積操作的實驗室晶片裝置也因為流體體 鲁 入/出太複雜而受到類似的大量平行操作能力限制。以串聯 反應型式操作的實驗室晶片裝置不易適用於異相結合檢 測’並且受到短反應時間檢測的限制。連續步驟膠片反應器 使用微升樣本體積。只有現行的微陣列存在大量平行操作與 微小化至幾十奈升反應體積。但它們受限於使用範圍，一般 只能執行單一步驟異相結合反應。微陣列進一步受限於平行 反應運轉時，陣列中所有微區域相當於在同一條件下進行的 單槽實驗《此外，微陣列對於蛋白質表現研究並不是非常合 適。 φ 因此需要一種能在微升反應體的高密度陣列中提供複 雜反應程序的技術。為了達到此一目的，需要能提供微小 化、樣本大量平行功能及低成本有效率之流體入/出口技 術。為了簡化習知技術的問題：不可能以即時方式引入溶解 於次奈升溶液的次皮莫爾（sub pico-mole)化學物質至陣列的 微區域中。 【發明内容】 17 1329741 基質與電極在接觸區之電氣連結，較佳係可藉由直接 物理連結接觸區之基質材料與電極，或當基質與電極在接 觸區有一定分離空間時，經由一永久存在或因基質潤濕產 生的中間傳導物質而達成電氣連結。 在另一方面，本發明提供之裝置具有整合之流體入/出 口與必需之乾化學試劑。前述裝置較佳係由一微區域或微 區域陣列組成，每一微區域一般具有整合之流體入/出口， 其中前述流體入/出口包含必需之乾化學試劑。 在本發明之目的中，名詞”微區域”係指一基板上的定義 區域，其中前述基板包含有一化學物坡覆之基板。名詞”微 陣列”包含微區域組成之陣列，係可執行多樣檢測，換言 之，即許多微反應同時發生（每一微區域上發生一反應）。 前述裝置較佳係包含至少一微反應器。本發明之微反 應器係指化學反應可發生之位置。整合之流體入/出口較佳 係用來推送必需之化學試劑，其中化學試劑係來自貯存器或 微反應器。本發明之具有化學試劑的微反應器可避免習知技 術中複雜的流體入/出口，在習知技術中，除了樣本外，檢 測所需的化學試劑都必須由外部非整合位置提供給微反應 器。本發明之裝置擴展了平行微反應器技術之應用，習知具 複雜流體入/出口的裝置因其成本與複雜度限制了應用範 圍，或傳統裝置試劑非整合於其上使該裝置的持行效國不能 或不適用於某些領域，本發明之裝置則皆能應用於這些領域 中〇 在一較佳實施態樣中，本發明之裝置能允許高平行、 20 1329741 高處理量實驗，其中密度達到表面10,000每平方厘米，並 使用極少量之皮升（pico-liter)至奈升（nano-liter)的樣本及試 劑（皮（兆分之一）莫耳或千萬億分之一莫耳的乾試劑）。 在另一較佳實施態樣中，本發明之裝置係提供具有整 合之流體入/出口儀器控制（包含回饋控制）之陣列，前述陣列 係可即時輸送化學物質至個別反應位置並且允許位置專一 的反應條件。 本發明之裝置係可在大量平行方式下執行範圍廣泛的 不同實驗安排，其中包含複雜型式的實驗安排。前述實驗包 含同相與異相檢測、多種試劑反應型式、需要依時間導入試 劑的反應型式、及需要停留時間數據的檢測、用於劑量反應 曲線或滴定之多次單成分添加物。本發明之裝置係可執行珠 粒上的液態培養基生化檢測，其中前述珠粒係包含在液態培 養基中，或檢測包含在微區域中的生物細胞。 在另一較佳實施態樣中，本發明提供連結於整合流體 入/出口之微反應器及微反應器陣列，包含由被包圍在一絕 緣體層之固相親水性基質構成之電路，其中前述親水性基 質包含乾化學試劑。具有微流道入/出口之微反應器係可用 於微量分析、.混合物分離及反應，其中前述微流道入/出口 係使用被密封之親水性基質。本說明書揭露之裝置與製造 方法係揭露於同時申請之申請號S.N 09/871/821”整合之電 動裝置及製造方法’’。 在另一具體實施態樣中，本發明提供具有整合微流道 入/出口之微反應器及微陣列，其中每一反應器包含至少一 21 1329741 種乾化學物質。 在另一較佳實施態樣_，本發明提供之裝置包含至少 兩個位於分離基板之陣列，當其中一陣列靠近並與一陣列 並排，即形成一微反應器陣列。 密閉親水性基質環道形成之流體入/出口 本發明之整合流體入/出口較佳係使用密閉親水性基質 環道。每一親水性基質環道較佳係包含一已成型之親水性 基質，係作為乾燥固相實體。在一實施態樣中，前述親水 性基質區域較佳係包含乾化學物質。 在本發明揭露的範圍中，乾燥狀態的操作用定義係為在 此狀態下固相親水性基質中非固定的化學物質（換言之，並 非以化學方式吸附在固定的固相支撐物上）不具有輸送能力 及與其他物質反應的能力。乾燥親水性基質中的乾試劑在 製造及貯存期間具有位置與化學穩定性質。 親水性基質較佳係為被絕緣媒介所密閉，其中前述絕緣 媒介對中性分子及電荷物質為非傳導性。在本發明揭露的 範圍中，絕緣體的非傳導性質也有一操作定義。絕緣媒介 較佳係可將環道中包含的化學物質侷限於其内，但能將環 道中存在的有毒污染物排除至絕緣體外。並且，絕緣媒介 必須能阻擋電流，使得為了進行電動輸送而提供給親水性 基質的電壓不會短路。 在一較佳實施態樣中，密閉絕緣媒介至少有一部份具 22 1329741 度之區域。藉由環繞絕緣體之水可滲透部分吸收水氣，密 閉親水性基質環道中的區域與路徑轉變為活性而具有上述 環道功能。 在一較佳實施態樣中，微反應器或微反應器陣列與密閉 親水性基質環道提供之整合流體入/出口係為平面的。

在另一較佳實施態樣中 造。 在另一較佳實施態樣中 式。 在另一較佳實施態樣中 裝置。 前述裝置係由微建構技術所製 前述裝置係為單次使用可拋棄 前述裝置係製成固相乾燥試劑 在另一較佳實施態樣中，密閉親水性基質環道中物質的 輸送係為電動輸送，並藉由一體成型的電極提供電力。 微反應器、整合流體入/出口及其他流體之配置佈局 本發明提供數種不同的微反應器、整合流體入/出口及 其他流體之配置佈局，描述於下。一密閉親水性基質環道 一般可提供整合流體入/出口至一或多個微反應位置，也就 是說，密閉親水基質環道可以：（1)提供微反應位置化學物 質，及/或（2)由微反應位置抽出化學物質。化學物質可由微 反應位置抽出並移至同樣包含在密閉環道中的廢棄區域， 或經由密閉環道移至進行下一步反應的微反應位置。化學 24 1329741 物質可由微反應位置抽出並輸送至環道中的另一區域或輸 送至裝置中另一鄰近環道中，以分離或分析組成成分。 數種經過精心設計的微反應器或微反應器陣列與整體 流體入/出口的配置佈局都包含在本發明中。其中一種配置 佈局，微區域或微區域陣列中的每一微區域都包含至少一 微反應器。密閉親水性基質環道提供的整合流體入/出口能 提供試劑至陣列的數個微反應器中，或提供試劑至陣列的 所有微反應器中。在使用時，流體入/出口較佳係提供所有 樣本槽共同進行反應的化學物質。因為在此一佈局中的整 合流體入/出口可提供陣列或從陣列移除體積0.1〜100微升 的化學物質，此即為本說明書中所指之整合微米流體入/出 口。例如，整合微米流體入/出口較佳係提供試劑以在所有 樣本上進行前分析反應。 在本發明另一配置佈局中，微區域或微區域陣列中的 每一微區域都包含至少一個微反應器及整合流體入/出口。 在每一微區域中，整合流體入/出口係由密閉親水性基質環 道提供，該整合流體入/出口可提供試劑給微區域中個別關 聯的微反應器。因為本佈局中的流體入/出口能從陣列個別 微反應器中提供或移除奈升或更小體積的化學物質，此即 為本說明書中所指的奈米流體入/出口。在本發明的另一態 樣中，微反應器或微反應器陣列係同時使用微米流體及奈 米流體入/出口。 本發明也考慮到將本技術領域中傳統流體元件與本發 明之微反應器或微反應器陣列結合，其中前述微反應器或 微反應器陣列上包含使用本發明密閉親水性基質環道建立 25 1329741 在本發明另一較佳配置佈局中，使用平面基板與微區 域，其中微區域係由鄰近密閉親水性基質流體入/出口環道 之微反應位置組成。前述密閉親水性基質環道包含至少一 含化學物質之貯存區，該化學物質係可沿著路徑輸送至微 反應位置。前述微反應位置包含一固相支撐元件，其中來 自外部來源（來自已知的微印刷或分散裝置）之樣本或試劑 係流體分散在其上。前述反應位置可由一可吸收分散溶液 之多孔固相元件或材料可分散在其上的非孔洞表面元件組 成。在此實施態樣中，含有分散化學物質的微反應器位置 係微建構在與密閉親水性基質環道相同的基板上。發生個 別微區域中的反應係可藉由如前述實施態樣中的孔洞壁分 離，或藉由本技術領域已知的疏水性障礙分離。 在本發明另一較佳實施態樣中，第一與第二平面基板 係保持一定距離平行放置並且個別微反應區之間有襯墊隔 離。第一平面基板具有微區域，該微區域包含鄰近密閉親 水性基質流體入/出口環道之微反應位置。密閉親水性基質 環道包含至少一存在化學物質之貯存區，該化學物質係可 沿著路徑輸送至微反應位置。第二平面基板由微區域陣列 組成，該微區域具有與第一基板陣列相同的距離與重複尺 寸，並且在每一微區域中有成型之乾燥化學物質。乾燥化 學物質陣列可能為待測之候選藥物化合物，在此例子中， 測試進行時這些化合物溶解於水溶液，或這些化合物也可 為不溶解之吸附在基板之化合物陣列，如受器、配體、受 器-配體複合物或具有報導分子之受器-配體複合物。將第一 與第二基板靠近並對準使基板上的每一微區域與能與另一 基板上相對的微區域對正。液態溶液在兩平板靠近時流動 27 1329741 與陣列中的每一微區域都有微反應器與鄰近的密閉親水性 基質環道，其中環道的配置係根據微反應器執行檢測類型 對流體入/出口的需求來安排。具有整流體入/出口的特殊生 物檢測佈局係描述於下。 異相結合檢測及結合方法 在高產量分子生物學及大量測試候選藥物化合物領域 中，特別關注異相受器/配體結合反應，核酸與蛋白質參與 此一反應。 在本發明裝置的一較佳異相微反應陣列中，每一微區 域包含一固定捕捉分子的微反應器，可執行一種或多種受 器-配體異相結合反應，其中微反應器係鄰近或包含在密閉 親水性基質奈米流體入/出口環道中。前述密閉親水性基質 環道包含至少一貯存區域及至少一路徑，其中前述貯存區 域包含一種或多種化學物質，前述路徑係可使化學物質從 貯存區沿著路徑被主動輸送至反應器。被輸送的化學物質 可能為下列部份或全部的檢測反應成分：配體、待測之藥 物化合物、受器分子或酵素報導者的基質。部分特殊實施 例係描述於下。 在本技術領域已知的典型異相雙分子受器/配體結合 檢測中，成對受器/配體之一的受器係附著在固態表面上。 成對受器/配體的另一個，在此例子中為配體，係存在於溶 液中。當附著受器（捕捉位置）的固態表面浸泡於包含配體 (目標）的溶液中時，在受器與配體間發生結合反應，形成一 31 ^29741 附著於表面的受器-配體複合物。受器分子附著在配體上， 可能發生在受器/配體結合步驟之前（如典型的基因表現實 驗）、結合反應期間或受器/配體結合反應之後（如已知的三 明治免疫檢測反應中的一個或兩個步驟）。染劑、螢光、填 光及電化學標記分子都已知可用於直接標記技術。在本技 術領域中使用酵素報導系統也已為大眾所知悉。在此例子 中，一酵素附著在配體，受器/配體複合物的存在可藉由偵 測基板上酵素轉化反應來獲知《—般可偵測到產物分子。 產色、螢光產生、磷光產生及產電基質已知可產生可偵測 之產物。在異相結合型式中，從鄰近結合報導者中分離未 結合的報導分子是必需的。已結合的報導分子濃度，即受 器/配體複合物濃度，係可藉由吸收、螢光、填光或電化學 來偵測。 也許’在異相檢測中使用本發明裝置最單純的優點係 可提供向密度受器-結合微陣列，該陣列藉由酵素放大而對 少量分析物相當敏感。在直接標記技術中，被偵測實體係 以化學方式附著在受器-配體複合體，所以陣列微區域中所 偵測到的訊號能決定其中複合物的濃度。然而，如先前所 提到的’習知使用直接標記技術的微陣列對於細胞標記量 低及少量細胞的微量分析不敏感。偵測極限可藉由與酵素 才示δ己而獲得顯著改善。每一酵素分子能在每秒轉化數百或 數千基質分子，而在每秒内每一酵素-配體_受體複合物中提 供數百或數千可偵測分子。然而，因為酵素反應發生在溶 液中，發生在提供微區域内的酵素反應產物必需在微區域 内維持在酵素-配體-受器複合物附近，否則可偵測物質會移 動至鄰近的微區域造成陣列微區域間的訊號干擾，使得陣 32 1329741 素蛋白溶液覆蓋陣列，形成受器-配體-生物素-鏈黴抗生物 素蛋白複合物。一第二平板與捕捉陣列平板配對，使個別 微區域能獨立出來’較佳係使第二平板在捕捉陣列平板上 以二明治法夾住。結果，每一微區域都包含一注滿液態溶 液的微反應器’ 一具有捕捉複合物的捕捉表面及一鄰接的 密閉親水性基質環道。藉由每一獨立微區域的主動幫浦， 酵素基質從密閉親水性基質環道注入微反應器中，同時藉 由掃描每一微區域偵測酵素反應的範圍。進行此一實驗的 方法有三種。其中一種，捕捉陣列係位於第一平面基板及 社、閉親水性基質環道位於第二基板。捕捉複合物位於第一 平板上，然後對準並接觸兩平板，形成可供酵素反應的反 應微區域。第二種方法，捕捉陣列及密閉親水性基質環道 陣列位於同樣的平板上，捕捉複合物形成於該基板上，然 後該基板與一第二空白覆蓋平板配對形成可供酵素反應的 個$分離微區域.第三種方法，捕捉陣列及密閉親水性基 質環道陣列位於同一平板上，每一微區域中都有一陣列元 件。微區域藉由疏水表面分離，該疏水表面將反應溶液在 個別微區域中個別分成數個獨立部分^然後酵素基質從密 閉親水丨生基貝環道輸送至每一微區域的反應溶液中。使用 刚述裝置可獲得高敏感度基因表現DNA晶片及蛋白質晶 片。本發明的裝置有利於只能提供微量起始材料的基因表 現或蛋白質表現應用。本發明裝置對核酸放大 用的高敏感度蛋白質晶片特财利用價值。 ^ 使用本發明裝置的另一個優點是可適用於高密度陣列 的化學發光標記配體·受n㈣。在本技 產生方法中，化學發光是用於低含量化學物質生物= 34 1329741 本發明裝置的另一個優點是可應用來研究多分子複合 物。在此應用中，異相結合反應在固定捕捉分子、來自被 檢測樣本的目標分子及報導分子之間形成一三分子三明 治。本實施態樣中的裝置包含具有受器·配體微反應位置的 微區域陣列。每一微反應位置與包含檢測目標分子的液態 溶液接觸。液態溶液中的目#分子分別與附著在陣列各微 反應器巾的捕捉分子結合4—微區域巾都有—位於密閉 親水性基質環道之間的整合電動幫浦，該幫浦在外部儀器

控制下運作。前述幫浦能輸送報導分子至微反應器令。如 果目標分子存在，報導分子與目標分子結合。清洗以移除 未結合的報導分子。_並量度每—微反應區域存在的標 記’即完成此一檢測。 使用本發明裝置的數種具有 —-二八刀一刀子二叨治複合物異相 結合檢測H已經被考慮在内。在—㈣型式巾，每一榻 區域中的微反應位詈 MM— 捕捉位置，及親水性基質 以中的母—報導分子貯存區域包含不同報導分子》陣列

中每相同的微反應器包含—種或多種附著的捕捉分子， =!分：能捕捉具有特殊組成的目標分子。在另-實施 列：相同的微反應位置包含不具專-性的捕极 =。對於-包含Μ列及N行的陣列而 包含MN種不同組成報導分早 韭直一、田山 種捕捉位置組成(專-或 Ϊί; 一。八二，有ΜΝ種不同的捕捉分子、目標分子及報 V分子二/刀子組成的三明治結構。 所以佳類财，料分切存區域加倍的印刷， 所以有Μ顺導分子在卜次通㈣被印刷，然後再第二 36 1329741 -人通過時有N行報導分子被印刷。因此，在此種結合印刷 類型申，對於M+N種不同原始個別化學組成物，兩報導分 子的結合方式有MN種。在此類型的一態樣中，所有的報 導分子都以相同的螢光標記。在另一態樣中，只有一種或 兩種報導分子被標記。在另一類型中，每一報導貯存區包 含多於-種的報導分子，每一種報導分子具有不同的標記 及其獨特的螢光波長。 則述二分子三明治類型的陣列中的另一較佳安排，每 一微區域中的微反應位置包含不同捕捉分子及每一貯存區 域包含同樣報導分子。對於—包含M列及N行的陣列而 言，有MN個元件包含MN種不同捕捉分子組成及一種報 導分子。因此，有MN種不同的捕捉分子、目標分子及報 導分子三分子組成的三明治結構。 在另一較佳態樣中，不同微區域中的每一個微反應位 置包含不同捕捉分子及包含不同報導分子之貯存區域。例 如’ 一包含Μ列及N行的陣列可具有M種不同捕捉分子組 成，每一列元件上有相同的組成，及N種報導分子組成， 每一行元件上有相同組成。MN個元件包含M種不同捕捉 分子及N種不同報導分子。因此，有河^^種不同的捕捉分 子、目標分子及報導探測分子三分子組成的三明治結構。 但是只有M+N種不同組成的捕捉或報導分子結合方式。在 此組合類型中，MN種不同目標分子可藉由M+N種試劑區 別。例如，一具有1000種不同捕捉分子及1〇〇〇種不同報 導分子的晶片能分辨出1，000,000種不同目標分子組成。 本發明裝置其他可能的位置專一組合類型，也包含在 37 1329741 本發明的範圍中，目標分子被標記的系統及多波長標記系 統都包含在其中，已提供額外多樣的能力。 在另一具有整合奈米流體入/出口之微反應器陣列的 異相反應例子中，我們使用具有整合標記及酵素放大試劑 的蛋白質結合反應器或核酸雜交反應器陣列。 勻相檢測 在本發明裝置上進行的勻相反應，代表性的例子之一 為用於測試藥物的酵素檢測。候選藥物化合物如果在一特殊 酵素反應中造成反應速率的改變，則該化合物潛力受到期 待。此種檢測可安排藉由使用產色、螢光產生或磷光產生基 質提供一光學可偵測反應速率，前述產色、螢光產生或磷光 產生基質係為一種用於酵素的合成基質，該基質能藉由酵素 反應變成螢光或磷光。此種方法與其他數種方法已為本技術 領域人士所知悉，這些方法產生的酵素反應能藉由光學儀器 量測其反應速率。執行此一勻相檢測之本發明裝置微區域及 親水性基質環道的特殊建構與組裝方法，已在前述關於本發 明裝置不同實施態樣的討論中清楚呈現。 趨雜的反應類型 在本發明裝置上進行的勻相反應，代表性的例子之一 為SNP基因變異分析（pyrosequencing)反應類型。在此方法 中，依序加入四個核酸鹼基至反應器中，該反應器包含在 38 1329741 DNA模板上的成長DNA鏈。在併入鹼基後會有無機焦磷酸 (pyrophosphate)被釋放出來，如本技術領域人士所知（美國 專利公告號6,210,891)。此一技術使用酵素發光無機焦磷酸 (PPi)偵測檢測（Nyren 及 Lundin, Anal.Chem. 151，504-509，1985)，該檢測以為本技術領域人士所了解，並 基於下列反應： PPi + APS ，_咖 >ATP + S0A2- 4 A TP + luciferin + 02 - > AMP + ppj + oxyluciferin + CO2+ light 前述例子中的複雜檢測需要可多次不同時間添加試劑 的反應器，因此不容易在微型式（mirco-format)或一陣列中進 行。然而，當使用本發明之整合流體入/出口裝置時，則可 實施此一複雜檢測反應。現在依序將核酸鹼基注入微反應器 中變得可能’該微反應器具有四個整合流體注射器，其中每 一注射器中包含一種不同的鹼基。當生物發光反應藉由從第 五整合流體入口注入冷光（luciferin)而啟動時，在包含ATP 硫酸酵素（sulphurylase)及冷光酵素的檢測混合物中可偵測 到併入鹼基釋放的PPi。 另一複雜反應類型為高敏感的酵素放大生物發光檢測 家族。此一類檢測家族使用生物發光基質的酵素產物，前述 生物發光基質藉由生物發光反應轉變為光釋出（參考 J.Bioluminescene and Chemiluminescence, 4，119-128，1989) 〇 此方法的一個重要的例子係使用磷酸鹼催化冷光磷酸 (luciferin phosphate)轉變成為冷光，該冷光能在冷光酵素及 39 1329741 ATP存在下生物發光。反應方程式如下： luciferin- phosphate luciferin luciferm + ATP + 02 ,uciferase >AMP + PPi + oxyluciferin + C02 + light 在此方法中，被檢測的磷酸鹼加入一包含冷光磷酸、 ATP及冷光酵素的檢測混合物中。在此一單步驟檢測下’填 酸鹼的含量正比於光產生速率或發光強度。磷酸驗也可能在 如前述的異相結合檢測中被併入配體-結合複合物中作為標 記0 此一檢測的兩步驟類型具有更高敏感度的潛力。在使 用本發明裝置的兩步驟方法中，被檢測的磷酸鹼係位於一個 或更多的微反應器中，該微反應器係位於陣列中一個或更多 微區域中。微區域中的磷酸鹼酵素係為溶液’或在異相結合 檢測中磷酸鹼酵素為包含在配體·結合複合物中的標記。在 第一步驟中，冷光填酸藉由本發明流體入/出口裝置在原處 加入。經過一段培養時間後，在第二步驟中使用本發明之整 合流體入/出口裝置添加ATP或冷光酵素或兩者至檢測混合 物中，以啟動生物發光反應。在低濃度的碟酸驗下’早一步 驟方法提供連續低光度，此一低光度在光偵測器中可能無法 與背景雜訊區分。然而’兩步驟方法能提高在第一反應步驟 培養期間磷酸鹼催化的冷光濃度’在第二步驟中，當添加 ATP或冷光酵素或兩者至反應混合物而啟動生物發光反應 並消耗冷光時，能在短時間内獲得較高的光強度。前述兩步 驟方法增加的複雜度及對快速注入技術的需求使得此一方 40 1329741 法，即使是單一檢測也無法經常使用，並且此一方法太過複 雜而無法在習知的微陣列中進行。然而，本發明之流體入/ 出口裝置特別適合此一檢測。 位晉專-~~檢測 本發明裝置的另一較佳實施態樣，每一微區域包含微 反應器與提供整合奈米流體入/出口的鄰接密閉親水性基質 環道。在此實施態樣中，整合奈米流體入/出口可用來達成 區域專一反應條件。導入微反應位置的一種或多種化學反應 濃度，在檢測期間係可藉由儀器控制。此一裝置可進行劑量 反應滴定，並能在一濃度改變步驟之後快速量測瞬間濃度， 及具有其他化學物質的位置專一控制。多幫浦陣列的控制係 透過具有電動幫浦電極陣列的被動矩陣達成，此方式與已知 的平面顯示器矩陣裝置相似。在每一微區域控制反應條件的 方法較佳係為回饋控制。在此一方法中，每一微區域中的微 反應器連接至一密閉親水性基質中，該親水性基質提供一或 多個獨立幫浦流體入口，可從密閉貯存區提供試劑或樣本溶 液至反應器中。每一獨立幫浦貯存區包含化學物質及標記分 子，該化學物質必須在一種控制方法下提供給微反應器。微 反應器中特殊標記分子的濃度顯示從鄰近含標記分子的貯 存區被幫浦至微反應器中的物質數量。量測探針能追蹤微反 應器中化學反應及標記分子濃度。標記濃度能回饋控制標記 貯存區的幫浦速度。在一較佳實施態樣中，當檢測反應產生 螢光或冷光訊號時，微反應器陣列係以光學掃描。在此例子 中，幫浦控制的標記分子係為光發射，因此該分子可藉由檢 41 1329741 測中使用的相同光學掃描系統量測。每一試劑貯存區包含自 己的光發射標記分子，每一標記分子在其不同波長發射，前 述發射波長也與參與檢測反應的光發射分子的波長不同。 高敏感度細胞檢測 在本發明裝置的一個較佳實施態樣中，每一微區域包 含一微反應器及鄰接的整合流體入/出口，其中微反應器包 含一種或一些細胞或細胞溶解物。前述整合流體入/出口能 控制添加試劑的微反應體積以用於單細胞反應研究、細胞 成分的高敏感度檢測或細胞排出的化學物質。 本發明之整合流體入/出口特別適合的細胞檢測係為 本領域已知的報導基因檢測，其中的一個例子為冷光報導 基因檢測（例如參考 J. Bioluminescene and Chemiluminescence，8,267-291,1993)。藉由結合 DNA 與報 導基因編碼區域，能測試獨立DNA序列控制基因表現的能 力。在此檢測中，表現的冷光酵素量能藉由冷光素與ATP 反應的酵素生物發光催化作用而檢測。將一個或一些細胞 或細胞溶解物質導入位於微區域的微反應器中，這些細胞 或細胞溶解物係用來研究特定DNA序列的調控能力。細胞 暴露在特殊的測試基質中’測試基質具有影響被研究之 DNA序列的調控能力。測試基質較佳係藉由—本發明之流 體入/出口裝置提供給微反應器。當DNA序列在控制下啟動 其表現能力’冷光報導基因即被表現。藉由使用本發明之 整合流體入/出口裝置添加冷光素、ΑΤΡ或兩者至微反應器 42 位置/、化予穩疋狀態。基質1 1 6較佳係包含一電解質鹽類與 一天然分子之濕湖劑。 雖然前述實施態樣中的電極與基質都固定在基板的同 —表面上’但在這一點上必需注意：只要能確保基質與電極 經由基板仍能保持電氣連結，前述電極可以一個或一對固定 在基板相對的另一面上；電氣連結可藉由通過基板上接觸點 的通道或其他相似方法與基質和電極間的中間傳導物質而 達成。再者，雖然前述一對電極都固定在基板上，本發明之 · 裝置包含其中只有一電極固定在基板上，而另一電極則經由 外。Ρ延著基質路徑提供電壓給該裝置。在此情況下，與第二 電極的電氣連結可藉由中間傳導物質達成。例如，第二電極 可位於電傳導流體中，當使用該裝置時，前述電傳導流體流 入裝置與基質接觸。 為了進一步了解如何應用本發明之流體入/出口技術， 以下列舉數個依據本發明製造之密閉親水性基質裝置實施 例〇 Φ 我們以薄膜微建構技術製造親水性基質裝置與電路， 並且結合薄膜與厚膜技術。 水性臬皙奘署 我們以薄膜技術建構第一圖之裝置，並用於測試不同 的組成材料與輸送性質。這些薄膜密閉親水性基質裝置係建 構於標準直徑4吋之拋光矽晶圓上。 首先氧化矽基板100以提供絕緣二氧化矽層 44 U29741 1〇1。以電子束（e-beam)沉積鈦（厚〇.〇i5//m)與金(厚 m)薄臈，並蝕刻形成四個金屬元件：外金屬元件1〇2、1〇5 與内金屬元件103、104。每-金屬元件都有—端具有接觸 墊片與外電路與連接，及另一端與親水性基質接觸。金屬元 件被一絕緣層106覆蓋，且蝕刻形成接觸墊片開口 107 ' 1〇8、1〇9、1H)與電極開口 lu、112、113、114。有兩種絕 緣材料與方法被使用。第一種，絕緣層1〇6為商品化可購得 之負光阻高分子（SC-丨00 Arch Chemical c〇 )，該光阻高分子 係為聚異戊二燁，經由旋轉塗佈、uv曝光、顯影而以負光 阻5L式形成圖案。第二種方式則是使用化學氣相沉積二氧化 矽絕緣層，經由負光阻光罩及HF蝕刻形成圖案。 下一個薄膜親水性基質係藉由旋轉塗佈沉積，並使用 兩種方法的一種形成圖案。第一種係當基質之配方為光可交 聯時，藉由光成型。在此製程中，旋轉塗佈該親水性基質並 經由一光罩以UV曝光，然後顯影。第二種係採用乾蝕刻製 程，使用負光阻光罩並以氧氣電漿乾蝕刻親水性基質。在後 種製程中，旋轉塗佈的親水性基質以負光阻覆蓋該負光 阻接著以光成型並顯影，以氧氣電漿移除沒有受到負光阻光 罩保護的親水性基質薄膜，然後移除殘餘的光阻，留下已形 成圖案的親水性基質層。在此方法中，親水性基質之配方必 須包含在電漿蝕刻製程下不會形成灰渣的成分。 有兩種親水性基質材料被使用。第一種，我們使用奈 米孔洞（孔洞大小1〜丨〇〇nm)親水性高分子基質，主要為聚乙 烯醇。這些薄膜已藉由直接光成型（使用感光stUbaz〇Hum官 能基化乙烯醇）或負光阻與乾蝕刻形成圖案。第二種，我們 45 使用微孔洞（孔洞尺寸範圍50〜5000nm)纖維醋酸酯薄膜。在 典型的製程中’這些薄膜使用混合溶液（9%纖維醋酸酯溶於 丙酮90% /水10%)在1500rpm下旋轉沉積。在旋轉製程期 間，乾燥薄膜體藉由相反轉程序出現孔洞。這些薄膜並具有 1〜2μπι厚之無孔洞表層。該製程的典型薄膜具有約7〇%的高 孔隙度’其中孔洞約直徑600nm。這些薄膜使用負光阻乾餘 刻製程形成圖案。在此製程中，一負光阻(厚2 5μιη)被沉積 於纖維醋酸酯上並以光形成圖案。然後，該圖案藉由乾蝕刻 被轉移至醋酸纖維酯。此一乾钱刻程序係使用氧氣電漿 (60sccm氧氣流，150W)，藉由電漿反應執行。蝕刻速率大 約1 Am每分鐘。在此一程序中，氧氣電漿移除沒有負光阻 與光成型負光阻罩保護區域上的纖維醋酸醋，其下大約有最 高3/zm的醋酸纖維酯❶最後的蝕刻纖維醋酸酯元件大約厚 Ί ji m ° 形成的親水性基質具有兩個貯存區域115與117(寬 X、長Y，第一 A圖），係藉由輸送路徑116(寬w，長l， 第一 A圖）連結。外電極1〇2與105經由孔ill、114接觸貯 存區115與117，及内電極1〇3 ' 104經由孔112、113接觸 路徑116之兩端。 、最後，一絕緣、氣體可滲透薄膜材料溶液旋轉塗佈形 成一薄膜。因此，親水性基質被完全地密閉在絕緣體ιΐ8 中。我們所使用的氣體可滲透絕緣體材料主要來自氣體高度 可渗透之聚二甲基⑦氧垸高分子(PDMS)及聚亞_與聚二 甲基石夕氧院共聚物(PI.PDMS)家族，雖然其他滲透性較差材 料如聚異戊二烯也被研究。在一典型的製程中，我們以具有 46 1329741 20%固體的三氯乙烯溶液，在轉速2000rpm下旋轉塗佈製備 一 8/zm 厚的 PI-PDMS(購自 Gelest Inc.)薄膜，及以 10%的 溶液在轉速1500rpm下製備3#m厚的薄膜。 在使用時，該裝置位於氣體可滲透絕緣體上方的區域 浸於水中，其中前述氣體可滲透絕緣體係密封親水性基質於 其中。電氣連結區不浸於水中。水蒸氣以蒸氣型態穿透氣體 可滲透絕緣體118被親水性基質吸收。藉由通過氣體可滲透 層的探針與電氣連結襯墊接觸。 薄膜與結合薄/厚膜親水性基質裝置 我們以薄膜或結合薄與厚膜技術建構第二圖的裝置。 第二圖係為一種具有一體成型頂端電極之密閉親水性基質 裝置的態樣。在此一裝置中，有一平面絕緣矽基板200，該 基板上有四個分離的金電極215、216、217及218。我們使 用具有金之氧化矽基板（沉積與光製程方法皆與第一圖裝置 的每一種方法相同）。一親水性基質輸送路徑202，係具有端 點204及205可與四個分離電極接觸，端點204在電極217 之上並與其接觸，及端點205在電極218之上並與其接觸。 我們也研究厚膜與薄膜親水性基質路徑材料。厚膜原 件包含一模切（die-cut)親水性基質路徑。該原件係以模印薄 板（一般為100〜150μιη厚）製成並限制大小（500μιη)，其外觀 為長型（一般約為lcm)形成電動裝置之輸送路徑。該薄膜親 水性基質路徑包含一旋轉塗佈與使用前述製程光圖案成型 之纖維醋酸酯。 47 一密閉之氣體可滲透絕緣體，延著其長度覆蓋在親水 性基質輸送路徑上。本裝置的一個實施態樣係可用來研究親 水性基質的潤濕效果，其中氣體可滲透絕緣體延伸超過親水 性基質兩端204及205。在此一實施態樣中親水性基質係完 全密閉。在本裝置另一實施態樣中，本裝置係可用來研究前 述濕潤親水性基質的輸送物質氣體，其中氣體可滲透絕緣體 係延著親水性基質路徑202延伸，只有兩端204與205沒有 被覆蓋。 我們也研究厚膜與薄膜氣體可滲透絕緣體膜。氣體可 滲透絕緣體係為一組裝於親水性基質路徑上的25"m厚膜 印PDMS元件（Ahesives Research)，或使用20%三氣乙稀溶 液在模印製程中製作小於l〇//m厚之溶液覆蓋PI-PDMS薄 膜層。 平面基板與密閉親水性基質裝置係組裝成一微流道元 件，包含三個空腔208、209及210，其中前述空腔係藉由 一彈性襯墊206以三明治方式夾在平面基板與一共平面之 聚碳酸酯平板207之間而定義。 在下面描述的水吸收實驗中，一液態流體係經由流體 管242注入一腔室209,並且水以蒸氣型態透過密閉氣體可 滲透薄膜203而被初始為乾燥狀態的親水性基質路徑2〇2所 吸收。為了監測路徑在潤濕期間的導電率，可施加一電壓於 輸送路徑202上的電極215與216之間來驅動電流，並且電 極217及218可與靜電計連接以量測通過路徑的電壓。或 者，電極217及218可提供電流，及電極215與216可用來 當作電壓探針。 1329741 在潤濕裝置的輸送量測中，注入包含一來源化合物的 液態流體並輸送至腔室208中，使液體接觸路徑2〇2。注射 液係由注射針筒250通過流體管24〇而注入。液體在位置 204上與202接觸，在部分實驗中液態流體也注入流出腔室 210中，並且伴隨著液體在位置2〇5上接觸到2〇2。路徑上 的電極215及216現在可用來提供電力以藉由電動力將液體 從腔至208中的來源貯存區送入流出腔室其中電極217

及218作為電極探針，或者電極217及218可用來提供電動 流而電極215與216作為探針。 以下我們列舉數個密閉親水性基質裝置的使用方式及 其成果的實施例，以教導如何最有效利用本發明。

第圖的薄膜裝置及第二圖的結合薄/厚膜裝置已經製 作出來，並且它們的水吸收性質也已被研究。我們依據第一 圖的没計來建構薄膜親水性基質裝置，它們包含聚異戊二烯 絕緣金電極’其中金電極係位於__覆蓋氧化層之衫基板上。 我們建構兩種親水性基質裝置。其中-種係為-微孔洞基 =，包含一前述乾蝕刻方法建購的7"m厚微孔洞纖維醋酸 s曰層另一種係為奈米孔洞聚乙稀醇❶路徑尺寸係為w=6 ㈣及L=5〇〇"m。貯存區係為X=1.2mm與Y=2.4mm。貯 存，襯塾上的微分散試劑導人貯存區中。氣體可滲透絕緣體 係藉由在親水性基質上旋轉塗佈1〇%三氣乙烯溶液而成為 一 10/zm厚的pudms薄膜。 我們量測流道導電率與時間的關係以分辨密閉親水性 49 1329741 基質吸水之特徵。量測的方法係'提供—電壓給外電極以驅動 電机涇由路彳坐從貯存區流至另一貯存區，内電極與靜電伏特 計連結’並探測跨越輸送路㈣電壓降（本技術領域中熟之 ，四點探測組態）。另—外電極偶而會浸於水中以檢查密閉 氣體可滲透絕緣體的漏電…如所期望的情況，在正常操作 電壓下（0-1G0V)密閉氣體可滲透絕緣體沒有漏電，其中前述 電壓係用以驅動裝置中密閉親水性基質路徑的電動流。 到 在裝置剛浸於水中時路徑的導電率很小（一般為1〇-|0 歐姆！）。當水以氣體滲透氣體可滲透絕緣體而被親 尺!生基貝吸收時，導電率增加，最後當基質完全潤濕時，導 電率成為定值（一般範圍在10-6至1〇-8歐姆’。我們發現吸 收水分能藉由在起初乾燥狀態的親水性基質層併入潤濕劑 而增加，如吸濕鹽類、低分子量多元醇類如山黎醇及甘油、 或其他小中性分子如尿素或丙氨酸。在本發明中我們定義濕 潤劑為任何具有吸水或吸收水蒸氣性質的試劑。其他本技術 領域中的名詞如保濕劑及乾燥劑都具有相似的意義。對於沒 有額外添加物的纖維醋酸酯而言，前述尺寸裝置的水吸收時 間大於60分鐘，但當加入20%重量山黎醇於前述親水性基 質中時，吸水時間僅約5分鐘。

被吸收的水經由水蒸氣可滲透絕緣體進入初始為乾燥 的微多孔性微纖維醋酸酯親水性基質，吸收的水分並不會對 該親水性基質層的尺寸造成明顯改變。我們只觀察到一種明 顯的改變，即起初不透明的纖維醋酸酯在吸水後會變得透 明。起初的乾燥孔洞纖維醋酸酯大約包含其體積7〇%的空 氣。當水被導入，會增加空氣間的壓力或空氣藉由滲透密閉 50 虱體可渗透絕緣體而離開。纖維醋酸自旨的尺寸仍保持穩定。 親水性基質包含多孔、低密度之含有大量空氣的材料，在潤 濕時具有尺寸穩定性的材料係為本發明之較佳使用材料。作 為例子的纖維醋酸酯係為多種適用於本發明材料中的— 種，係可成功的應詩本發狀裝置巾。其_子包含确酸 纖維素及矽溶膠·凝膠以混合溶劑覆蓋時，藉由相轉變形成 的尺寸安定多孔材料，材料藉由模板技術提供微孔洞，其中 異相基質係與-包含可藉由蒸發移除的其他材料沉積，一微 孔洞材料係藉由覆蓋微粒與其他相似物的懸浮液而製得。 奈米孔洞PVA對水分的吸收伴隨著基質顯著的膨潤。 起初乾燥的基質密度增加並包含少量吸收的空氣。吸收水分 會造成體積的顯觸膨潤，在相通的情況下可達到五倍體積。 此一現象與已知的膠體積質膨潤行為一致。許多可膨潤膠體 的例子如實;例中的聚乙烯醇已為本技術領域所熟之且具 有相似的行為。其他的例子包含，但不限於，瓊脂、聚丙烯 胺與聚經乙基甲基丙稀醋。 本發明之密閉親水性基質裝置使用可膨潤膠體基質較 為不佳，因為在此情形下密閉氣體可滲透絕緣體需為彈性 體，以使其在親水性基質吸水時可伸展以配合增加的體積。 當使用可膨潤膠體時，我們發現較佳係使用薄親水性基質層 以限制膨潤的絕對量。乾燥薄膜較佳係厚度小於5 V m且大 於1 # m會更佳。 我們在依第二圖佈局建構之結合薄/厚膜及薄膜親水性 基質裝置上進行更多的水吸收研究（隨著修改第二圖，當氣 體可滲透絕緣體延伸超過全部親水性基質時，即為如第一圖 51 1329741

之全部密閉的裝置）。基板係為具有光圖案成型金電極之氧 化矽。在厚膜裝置中，親水性基質輸送路徑係為一模印微孔 洞元件，厚150 " m，寬500 " m，長1.1 cm。路徑元件係裁 自一纖維硝酸/纖維醋酸（CA/CN)盤（MF-Millipore)。路徑元 件浸泡在包含濕潤劑與2mM磷酸緩衝液鹽類的溶液，然後 乾燥。對於薄膜裝置而言，親水性基質輸送路徑係為一由覆 蓋丙酮/水混合溶劑經由光圖案成型的厚7μιη之纖維醋酸酯 層，並注入潤濕劑與2mM磷酸銨緩衝液(ρΗ7)。注入的步驟 係在纖維醋酸層被光形成負光阻覆蓋後進行，然後以乾蝕刻 移除纖維醋酸的緊密接觸表層，使溶劑能輸送至孔中。最後 的步驟係如前述方法乾蝕刻纖維醋酸與光阻罩。所有注入纖 維醋酸的化學物質必須可乾蝕刻而不留下灰渣。前述之中性 潤濕劑（尿素、山黎醇、丙氨酸、甘油皆為可乾餘刻而不留 下殘餘物）。其他在乾蝕刻製程前加入的添加物必須為可蝕 刻而不殘留之物質。因此，我們必須避免金屬離子鹽類、金 屬離子界面活性劑與金屬離子緩衝劑，因為這些在氧氣電漿 製程都會留下灰渣。我們在這些地方使用銨鹽，因為銨鹽一 般蝕刻時不會留下殘餘物。 親水性基質被密封在一 25 β m厚的模印組裝元件 PDMS層中，或密封在膜版印刷製程中由覆蓋溶液形成的薄 PI-PDMS層中。氣體可滲透絕緣體元件係位於基板上方，電 極與路徑完全被親水性基質包圍。前述裝置係組裝成微流體 流動元件，並且水可導入元件中央腔室209中。其中親水性 基質路徑藉由穿透密閉的氣體可滲透絕緣體的蒸氣而吸收 水分。導電率與時間的關係可使用脈衝+/-5V通過電極215 與216而量測，並量測傳導電流對時間的關係。 52 1329741 前述裝置的乾燥親水性基質202起初具有一低於飽和 水蒸氣壓的内部水蒸氣壓，前述飽和水蒸氣壓係指流體元件 腔室209中的外部水溶液的飽和水蒸氣壓。水蒸氣壓差是造 成密閉親水性基質吸收水分驅動力。進入親水性基質的水通 量係由氣體可滲透絕緣體之滲透力乘上兩者間的壓力差而 決定。壓力差對時間的關係可藉由内部水蒸氣壓對時間的關 係來決定。這些依次藉由親水性基質的吸水量對時間的關係 來決定，並且親水性基質材料的水蒸氣吸收等溫線可能也包 含了濕潤劑與鹽類吸收的水蒸氣。等溫線與水吸收量及水蒸 氣壓有關。如本技術領域所熟知者，溶解化學物質的水溶液 水蒸氣麼與溶液中的水分子活動力有關，其中水分子的活動 力依次與溶解於水中的化學物質莫耳分率有關。與純水的水 蒸氣壓相較，部分化學物質在高濃度下與水的相互作用力強 烈，會明顯降低水蒸氣壓。水蒸氣壓與溶解化學物質濃度間 的關係已是本技術領域的通常知識，並且已列表於許多書籍 中關於水溶液性質的部分（例如參考Electrolyte Solutions by Robinson R.Α·及 Stokes R.H·，Butterworths Publications Ltd.， 1959)。這些數據提供了一基本模型，使得我們可以用來預 測本發明中密閉親水性基質的水吸收速率。在吸水率達到 100%時，吸水的親水性基質之濕潤劑添加物的最後濃度係 可藉由初始時加入乾燥基質的全部乾重來決定。當添加物在 浸泡過程中吸收時，添加物的量係由原本浸泡溶液中的濃度 決定。 在表一中我們整理了具有不同親水性基質厚度、氣體 可滲透薄膜與不同含量濕潤劑的數種裝置的潤濕數據。 53 1329741 表1 氣體可滲透薄 膜厚度 親水性基質厚 度 濕潤劑的量 rc t(100%)重 量 t(100°/〇)導 電率 t(100%) 模型 IOum PDMS IOum CA 無 23 >3600 3 um PI-PDMS 7 um CA 2M尿素 25 400 600 1.7M山黎 酵 23 700 1189 1.7M甘油1 23 300 3M CaCI2 23 200 307 3M CaCI2 50 60 64 25um PDMS 7 um CA 2M尿素 50 575 671 25um PDMS 7 um CA 2M尿棄 25 1000 1750 t(50%)重 量 1(50%) 導電率 t(50%) 模型 25um PDMS 150um CA/CN 40 g/L CaCU 23 20,000 22,000 40 g/L CaCI2 50 5000 6500 8M尿素 23 9,700 10,300 8M尿素 50 1750 4740 54 1329741 我們藉由重s (在濕潤前後裝置重量的差異）與 的改變來量測水分的吸收m經將完全潤__1 t(100。/。）’與水吸收達到50%的時間（50%重量改變或游 電率改變)，即轉)，列於表中。我們也將由下面。 水吸收動力模型所計算出的時間列於表中。 實驗數據與模型顯示水被親水性基質吸收的時間隨著 濕满劑添加量的增加而減少。然而’過量的濕潤劑會危害濕 调的親水性基質的電動功能。當使用電解f鹽類作為渴潤劑 時，鹽類的最後濃度相當大(>100mM)，其中鹽類能有效縮 短濕潤時間（< 3600秒）。如熟習本技術領域的人士所知大 量離子強度（I)使電解質能抑制電動流動力在^的速率 内。經由電動輸送路徑的高導電率會造成焦耳熱，並且會顯 著增加電極的極性而導致電極放出氣體的風險。因此，以電 解質鹽類作為濕潤劑較不適當。中性濕_添加物會增加電 動媒"的最後‘度。然*，添加^程度的中性添加物能增 f濕，時間’並且不會明顯增加輸送媒介㈣度也不會減少 :動桃動力。例如對於黏度】的水溶液媒介而言，Μ山黎 ^ 尿素4M甘油都能使濕潤增快，並且減少的電動 55 1329741 流小於2。然而，如同專業人士所知，高濃度尿素溶液會使 蛋白質及核酸變性。因此，當需要在變性的情況下輸送蛋白 質或核酸時，必須避免使用尿素。 我們發現水吸收的時間直接與製造的氣體可滲透絕緣 體厚度及親水性基質厚度有關。水吸收速度隨著密閉氣體可 滲透薄膜的水蒸氣滲透力而增加。實驗潤濕時間與我們使用 以發表的PDMS水蒸氣滲透率的水吸收模型計算出的時間 一致，其中PDMS水蒸氣滲透率約為5 X 1(T6 cm3水蒸氣 cm (屏障厚度）sec-1 cm·2 (面積）cm Hg ―1 (壓力差）。水吸收 膜係預測在溫度T°C密閉親水性基質裝置潤濕達到100%的 時間（t，秒），其中密閉親水性基質裝置包含親水性基質厚度 dumHM "m及PHM最終水體積分率（孔隙度）及一密閉氣體 可滲透絕緣體厚度dumGPI，μιη，包含最終濕潤劑/水的莫耳 濃度M/L，係依據下式計算 t = A PHM dum gp丨 dum ημ Μ β e 0.052(τ 25) 其中Α與Β係為與濕潤劑及氣體可滲透絕緣體有關的 常數。對一包含PDMS的氣體可滲透絕緣體，我們獲得列於 表中的常數A與B的值。 表2 濕潤劑 A B 氣化鈣 10 1.23 硝酸銨 18 1.01 丙氨酸 26 0.97 56 1329741 甘油 28 0.95 山黎醇 28 0.98 尿素 35 0.8 PI-PDMS共聚高分子薄膜的水蒸氣滲透力大約是 PDMS的一半，因此潤濕時間大約是PDMS的兩倍。表二中 所列的中性濕潤劑具有相似的行為。一般孔隙度（75%)的親 水性基質中，當包含最終莫耳濃度2M的中性濕潤劑時，通 過PDMS的濕潤時間大約是25°C，1 〇 dum HM dum GPI秒，及 5〇°C，3 dum _ dum GPi秒。下面表3係顯示具有2M中性濕 潤劑與不同厚度的裝置的大概濕潤時間。 表3 dUm PDMS dum HM 25〇C 50°C 1 1 10 secs 3 secs 5 5 4 mins 80 secs 10 10 17 mins 5 mins 25 10 42 mins 14 mins 25 25 104 mins 34 mins 10 50 83 mins 27 mins 25 150 10 hours 3 hours

整體而言，本發明之薄膜（ά<10μηι)密閉親水性基質裝 置及電路可在此情況下快速潤濕。厚膜裝置一般在使用前必 57 1329741 在這些實驗中，我們可以定量電滲透流速率。瞬間導電率的 測定方法相係描述於 Ren et al. in Journal of Colloid and Interface Science，250, 238-242, 2002 之中。結合染料可見性 與瞬間導電率實驗可同時量測電滲透與電泳。我們將實驗數 據整理於表4中。 1329741 表4 裝 置 親水 性基 質 厚 度 浸泡的水 濃度 氣體可 滲透薄 膜 厚 度 來源電解質組 成 實驗 M«ff Μ«〇 |Irn cm2/Vs cm2/Vs cm2/ Vs 1 CA/CN 150 8M尿素，110 mM ADS, 2mM磷酸緩 衝液@pH7 PDMS 25 2mM磷酸緩衝液 pH7 體積 - -1 χ 1〇4 - 2 CA/CN 150 無 PDMS 25 10mM磷酸緩衝液 pH7.2 10mM Allura 红染料 陰離子 紅染料 2.2 x 10~* -8χ ΙΟ·5 3.1 χ ΙΟ*4 3 CA/CN 150 2.3mMTX-100 PDMS 25 lOmM磷酸緩衝液 pH7.2 10mM AJlura 红染料 陰離子 紅染料 3.1 x ΙΟ*4 0 3.1 χ ίο·1 4 CA/CN 150 110mM ADS PDMS 25 lOmM磷酸緩衝液 pH7.2 lOmM Allura 红染料 陰離子 红染料 -8χ ΙΟ'5 •3.9 χ ΙΟ4 3.1 χ ΙΟ*4 5 CA/CN 150 2.3mM TX-100 PDMS 25 溶液丨：50mM读 酸 pH7.2 5mM Allura紅染料 溶液2: 55mM碟 酸 pH7.2 除離子 红染料 +導電 率 2.2 χ ΚΓ* 0 2.2 χ ιο~* 6 CA/CN 150 HOmM ADS PDMS 25 溶液1: 50mM填 酸 pH7.2 5mM Allura紅染料 溶液2: 55mM墙 酸 pH7.2 陰離子 红染料 +導電 率 3χ ΙΟ*5 ‘2.2 χ ι〇-* 2.5 χ ΙΟ*4 7 CA 7 none 溶液丨：50mM磷 酸 ρΗ7·2 5mM Allura红染料 溶液2: 55mM磷 酸 pH7.2 導電率 - -5.3 χ ΙΟ·5 - 61 1329741 在這表中，我們說明了輸送方向與負來源電極有關。 有效電動遷移率peff是電泳遷移率μβρ及電滲透遷移率的 〜σ 正（負）電何遷移率指出流體流動遠離（朝向）負來源 電極，是由陰（陽）離子電泳、或由固定的正（負）表面電荷、 或空間電荷導致的電滲透所造成。 實驗1 : 我們評估表4編號1的裝置。將2mM磷酸緩衝液導入 腔室208中，水進入中央腔室2〇9,且流出腔室21〇開始時 為空的。在電極217(接觸鄰近來源腔室2〇8的親水性基質路 徑）與電極216之間提供電壓，電極216在輸送路徑中接觸 親水性基質，其接觸點為500μπι χ500μηι。供應的電壓提供 電力來驅動電解質沿著路徑的電動流。電極215及216連接 到靜電計以偵測路徑上不同位置的電壓。當217上的電壓為 + 10V，216上的電壓為〇ν(輸送路徑上的壓降為6ν)，電極 216極性為L5V，電極217極性為〇 5v，及電流為2微安 培。流體由注滿液體的來源腔室2〇8沿著路徑流入開始為空 的流出腔室210中。空流出腔室21〇收集的流體量\對時間 的關係可藉由監測形成的水滴直徑對時間關係以體積估 計。我們估計6V時，每秒幫浦〇1微升。估計電滲透遷移 率的結果大約為從正來源電極呈流出腔室為〗X 1〇4 cm2/Vs。 應注意親水性基質路徑包含一電動幫浦區域，係位於來 源腔室電力電極217與輸送路徑電極216之間；及一位於電 62 1329741 力電極216與流出腔室210之間的區域，在該區域中流體通 過時會有阻力但沒有施以電壓。在微流體的說法中，這種= 形稱為一負載。這種安排相當有利，因為流出腔室不需要^ 氣連接幫浦電力來源，因此可依本說明書描述的佈局之一， 獨立地以並聯電力幫浦的方式裝配。現在也有可能連接一密 閉親水性基質幫浦於貯存區上游，其中貯存區包含被輸送的 材料。在此安排下，灌注區域包含一貯存電解質的來源貯存 區，係以電解質流體連接密閉親水性朞質輸送路徑。來源貯 存區或接濟來源貯存的路徑上有第一幫浦電極，及在輸送路 徑上有第二幫浦電極。進一步，該路徑之流體越過第二幫浦 電極連接至密閉親水性基質第二貯存區，該第二貯存區保含 一被輸送的物質。第二貯存區流體連接至流出腔室。在使用 此種佈局的裝置時，第二貯存區的材料被流體推出，該流體 係沿著路徑由電滲透推進，從第一貯存區通過第二貯存區到 達流出腔室《電滲透幫浦及其電力電極係與材料分離以輸送 幫浦下游自由區域的殘餘物。 小電極216在不排出氣泡的情況下提供最大電流。氣 體排出會損害幫浦穩定運作《對於一具有寬5〇〇//m χ厚 150ym輸送路徑與其上5〇〇vm χ 5〇〇以111路徑電極216的 裝置而言，在電極陰極將水還原成氫氣之前，陰極還原溶氧 能使電極216觀察到2微安培的電流（接近最大電流ρ在具 有位於輸送路徑小電極的裝置操作上，最大幫浦電力係藉由 幫浦最大電流來決定，其中幫浦最大電流受到氧化還原的限 制。在高電力操作下，支持電解液的濃度可降低（減少傳導 電流），或中性溶解氧化劑（可在電極216上被陰極還原）可加 入親水性基質中。在具有正固定電荷與正介面電位（zeta 63 1329741 potential)的親水性基質幫浦中，幫浦電壓與前述相反，其中 小路徑電極216係為陽極。親水性基質中加入缺少氧化還原 反應的材料，限制性幫浦電流可藉由放出氧氣且不形成氣泡 而提供。同樣地，在氣體排出現象發生之前可提供2微安培 電流。在高電力操作下，支持電解液的濃度可降低，或中性 溶解還原劑（可在電極216被陽極氧化）可加入親水性基質 可使乾燥親水性基質潤濕的氣體可滲透絕緣體也可滲 透氧氣，這一點對前述將路徑小電極藉由氧氣還原（放出 為陰極（陽極）的裝置而言相當有考卜除非氧氣無法渗透該 層，當氧氣擴散係發生在氧氣侧向滲透密閉氣體可滲透絕緣 體層時’我們也計算電極上明顯的氧氣大量擴散通量。因 此，相較於其他可能發生的情形，此—裝置在氣體排出之前 可提供較大幫浦電流。 如熟悉本技術領域的人士所知，微電極的尺寸越來越 小’因此越來越多彻側向擴散氧化還原分子至電極周圍來 提供電化學電流。所以，本發明之襄置縮小且電極提供電流 效率也獲#改善。當裝I料時，藉由通過氣體可滲透層側 向輸送氧氣的相對增進電流容量也增加了。 實驗ii 我們研究使用界面活性劑來修改微孔洞材料的界面電 位。在表4裝置2的輸送實驗中，我們發現未處理的微孔洞 纖維醋酸7纖維顧基質具有低界面電位，這可歸因於孔洞 表面上與部分電滲透幫浦取代的固定負電荷。我們在表中的 64 裝置7輸送實驗中獲得相似的結果，其中該裝置7包含溶液 覆蓋微孔洞纖維醋酸。 畲我們在親水性基質中（表4的裝置3及5)加入非離子 界面活性劑如Triton TX-100時，孔洞表面吸收的非離子界 面活性劑被發現能抑制界面電位，且微孔洞材料對電滲透幫 浦變得較不活潑。我們發現只藉由電泳輸送的陰離子紅色染 料流速較快。比較裝置3及5輸送時樣觀察到的遷移率，實 驗顯示裝置5及3中的實驗緩衝液具有較高離子強度時，電 泳與電滲透遷移率較低。 鲁 當我們在親水性基質中（表4中裝置4及6)併入一陰離 子界面/¾性劑如十二院基硫酸錢(ads)時，吸收電荷陰離子 的孔洞表面與微孔洞材料對電滲透幫浦（離開正電極的方向） 麦知·較活潑且與陰離子染料電泳相反。此一已處理親水性基 質的界面電位減小至_10〜20mv ^即使在只有電泳的相反方 向，染料的淨有效流動變得很低。比較裝置4及6輸送實驗 所觀察到的遷移率，實驗顯示裝置6及4在高離子強度實驗 緩衝衝液下，低電泳及電滲透遷移率較低。 馨 或者，如先前所發表的矽毛細管裝置（Lucy et al Anal

Chem· 68(2)，300-305, 1996)，當一陽離子界面活性劑如十八 烷基三甲基氯化胺（CTAC)併入親水性基質時，孔洞表面可 及收T電荷的陽離子且微孔洞材料會損失其負界面電位而 變成電中性或略帶正電，因此該材料對朝向正電極方向的電 滲透會變得活潑。 我們發現藉由微孔洞親水性基質的孔洞表面吸收界面 65 1329741 活性劑適合修改電滲透所需的表面電荷。許多本技術領域所 知的表面活性劑能被表面吸收而產生或修飾表面電荷。龙 且’其他許多本技術領域所知的方法依樣可用來導入表面電 衍。這些方法包含化學方法（例如參考Kumar et ai.，DrUg

Development and Industrial Pharmacy, 19, 1-31，1993)、表面 吸附及誘導方法（例如參考Ma et al.，Macromolecules, 33 331-335,2000)、電漿修飾（例如參考 p〇ncin_Epai丨丨ardetai.， J. Appl. Polymer Sci., 44, 1513-1522,1992) > 物理誘捕電荷 實體（例如參考 Wroblewski et al., Sensors and Actuators，48, 471-475，1998)及其他相似方法。任何本技術領域所知的方 法都可用來導入或修飾本發明親水性基質裝置的微孔洞表 面之表面電荷。如本技術領域人士所知，帶電荷的表面會造 成輸送試劑的吸收，特別是當被輸送的試劑帶有與孔洞表面 電荷相反之電荷。 在本發明的這些裝置中，試劑在親水性基質裝4#冑 動幫浦區域中，且當幫浦是藉由電滲透進行時，表面電荷的 量及化學性質必須足以引起電渗透流且不會造成輸送試劑 的明顯經由孔洞吸收。所以我們相信在這些裝置中最佳感應 表面電荷的處理方法為利用一可造成表面吸收最少輸送試 劑的方法來處理’並且該方法對於輸送的物質而言可能為獨 有的。在本發明的另一裝置中，被運送的試劑位在接近注入 器流出端分離的第二貯存區中且超過電動幫浦區域，幫浦區 域孔洞表面的表面電荷可以任何前述表面處理方法調整，而 不需要考慮與被輸送試劑的相互作用。 66 1329741 复MJi含密閉輪送路徑及貯存區之密閉親皮性基皙汴M哭 么微區域的流體入/屮口 另一具有整合頂端電極之密閉親水性基質裝置實施態 樣係顯示於第三圖。本實施例之注射幫浦係為一本發明之具 有整合流體入/出口之微反應器陣列的基本建構障礙。 在此實施例中，我們在一氧化矽基板上建構該裝置。 在基板上有四個分開的電極315、316、317及318，該電極 係為依前述每一步驟建構的0·2# m光圖案成形金膜。前述 每一製程步驟中以旋轉塗佈、光成型及灌注製成一 7“m厚 的微孔洞纖維醋酸親水性基質。灌注過程添加之試劑係列於 表5中。包含灌注鹽類、界面活性劑與濕潤劑的微孔洞薄膜 在包含空間分離電極的元件中成型《在成型的親水性基質的 j^有一環狀貯存區域304，該貯存區304在離開其流出口 的一端與一新月型電極315接觸。該貯存區域與輸送路徑區 域302的一端接觸，其中輸送路徑區域3〇2沿著其長度與電 極317及318接觸。從環型貯存區至狹窄輸送路徑的過渡區 係逐漸縮小以避免幫浦期間的壓力熱點。輸送路徑3〇2有一 超過與電極317接觸區域的流出端305。接下來，我們貯存 材料以將其幫浦至貯存區域，該材料係為體積分散已知劑量 的浴於水中的材料，如表5所示。該材料劑量的計算方式係 為在微孔洞親水性基質完全潤濕後提供貯存區如表所示之 最終濃度。最後，該親水性基質係塗佈一氣體可滲透層3〇3。 該氣體可滲透層303係成型於親水性基質上，除了輸送路徑 的流出端305之外，氣體可滲透層完全將親水性基質密閉於 其中。有兩種塗佈方法可以被使用。在本實施例的一薄/厚 67 1329741 膜裝置_，我們組裝一模切25//m的PDMS膜。在本實施 例的一薄/薄膜裝置中，我們在膜印製程中使用20%的三氣 乙烯中塗佈一 10/zm的PI-PDMS。 平面基板與密閉親水性基質裝置組裝成一包含流體腔 室308的微流體元件，其中該流體腔室308係由彈性襯墊 306夾在平面基板300及一共平面聚碳酸酯板之間而定義。 該腔室的流體與由入口管309及出口管310連接。液態溶液 藉由注射器350注入腔室中。光纖束320 —端位於注射器流 出端305上方的聚碳酸酯板307上。光纖束320的另一端係 連接於二極光學偵測器（圖未顯示）以進行光學量測。 我們也研究密閉親水性基質注射器的幫浦性質，該密 閉親水性基質注射器係使用模型化學發光系統。我們也使用 化學發光反應作為我們的模型系統。

Luciferin + ATP + 02 ,uciferase > Oxyluciferin + AMP + PPi + C02 + Light 檢測試劑係由Sigma Chemical Co.購得。此一模型系統 在本發明的許多實施態樣（如前述的實施態樣）中相當有用。 在此檢測的一個版本中，我們準備貯存區中含有ATP 的注射器。該裝置係以前述方法建構一 7"m厚，以溶液覆 蓋形成之纖維醋酸親水性薄膜。如前所述，將試劑加入基質 中有兩種製程步驟。在第一晶圓層次浸泡製程，將圖案成型 親水性基質結構陣列曝露於浸泡溶液中，使材料能灌注至全 部的基質（貯存區與路徑）。第二製程型式係在將基質密閉在 氣體可滲透絕緣體前執行。在此製程中，被輸送的試劑與其 68 1329741 他試劑係以微分散水溶液型式灌注至貯存區域中。表5整理 了我們在此整合ATP注射器實驗中使用的方法。 在注射器建構完成後將其組裝至流體元件上，如第三 圖所示，且包含冷光素（luciferin)及螢光酵素的檢測混合物 從注射器350經由管道309導入流體腔室308中。該整合流 體入/出口注射器係藉由吸收通過氣體可滲透絕緣體的水分 而潤濕。在潤濕該注射器裝置後，該裝置處於其活性狀態， 能將ATP注入反應腔室中。藉由提供電壓給貯存區電極315 及另一端接地，ATP可由貯存區注入反應器中。接地電極可 在溶液316中或可為路徑中的路徑電極之一。當沒有反應時 (ATP不存在）紀錄基準光度，然後當ATP由貯存區304注入 反應腔室308時隨著時間監測光度變化。 表5 裝置 晶圓層級浸泡 微分散 緩衝液 鹽類 濕潤劑 界面活 性劑 氧化還 原電解 質 幫浦試 劑 緩衝液 鹽類 濕潤劑 界面活 性劑 氧化還 原電解 質 1 無 2M尿素 15 mM CTAC 無 lOOmM ATP 無 2M尿 素 0.15 mM CTAC 無 2 無 2M尿素 TX 無 10mM ATP 無 2M尿 素 0.03%T X 無 3 25 mM 碳酸 2M尿素 lIOmM ADS 無 lOmM ATP 25mM 碳酸 2M尿 素 3% ADS 無 第四A圖顯示一典型實驗生物螢光曲線。在實驗開始 時，該光度係為基準值。在40秒時，貯存區電極藉由-10V(相 對於反應器的接地端）電壓激發。電壓供應60秒。在提供電 69 1329741 ft光強度開始增加前有延遲時間（_ 係為輸送/τρ沿著注㈣純狀魏職出端的時 時m·線性幫浦速度及有效電動遷移^如果注射 器是用來多次添加流體’由於輸送路徑上已經存在Ατρ，因 此不會有延遲時間。線性幫浦速度乘以注射器路徑體積單位 長度乘以注射器内的ΑΤΡ濃度即能求得每秒被輸送的ΑΤΡ 莫爾數。每秒ΑΤΡ制數乘以幫料心卩為注人反應器内 的ΑΤΡ全㈣^ ΑΤΡ到達注射路㈣流出端即與檢測試 劑啟動生物發光反應，發生生物發歧應的位置在大約】微 升體積的流出端區域的反應腔室中，並且在光纖光收集器之 丁 〇 光強度與時間曲線之下的面積正比於所有轉換成光的 ΑΤΡ莫爾數。劑量反應曲線係藉由在反應器内注入不同劑量 之ΑΤΡ並量測輸出光而獲得。我們進行兩種測試。定壓下 添加ΑΤΡ在不同時間的劑量反應曲線及改變幫浦電壓的添 加ΑΤΡ劑量反應曲線。 一劑量反應曲線係顯示於第四Β圖中。圖中的數據係 來自表5的編號1裝置。該裝置係用來灌注Ατρ，前述Ατρ 係來自充滿1 OOmM ΑΤΡ的貯存區中。在此實驗中，我們灌 注的ΑΤΡ劑量從1〇·14莫耳（全部注入體積為〇.lpL的i〇〇mM ATP)至1〇·9莫耳（全部注入體積為1〇nL的丨〇〇mMATp)。輸 送路徑藉由在纖維醋酸孔洞表面吸收CTAC陽離子來處 理。提供一-1〜-10伏特負電壓（相對於反應腔室的接地端）給 貯存區電極能輸送ATP。電動輸送推測可沿著貯存區至注入 器流出端的路徑，藉由電泳及電滲透輸送。隨著在電極315 及316之間提供的_1〇v電壓，沿著路徑3〇2的線性速度為 22/z每秒，該路徑長3mm且有6 5伏特的電壓（以探針量測 電極317及318之間），產生大約7pL/秒的體積幫浦速率（對 於一 65ym寬乂7以„!厚\ 70%空隙度的輸送路徑而言）及一 0.7莫耳/秒的注入速率。在_2¥的電壓下，線性速度大約2 μm每秒，且路徑壓降為〇 6伏特，造成一體積幫浦速率 0.7pL/秒及一 ATP注入速率70 fmole/秒。有效電動遷移率為 1·04χ 104cm2/vs。劑量反應曲線在量測範圍内呈現線性， 如第四B圖所示。 在另一使用表5裝置2的實驗中，我們研究與電壓有 關的電動幫浦作用。該裝置的輸送路徑以τχ非離子界面活 性劑處理。因此，我們預料幾乎沒電滲透的發生。我們在第 一低陰極貯存區電壓下注入一定劑量之Ατρ，並記錄輸出光 量。然後我們在第二高陰極電壓下注入第二劑量之ATp，並 記錄第二光輸出量。我們進一步提高供應的電壓與注入的 ΑΤΡ劑量，並量測每一電壓下的光輸出量以獲得劑量反應曲 線。第四C圖顯示本實驗的結果。在該圖中，我們繪製幫 浦速率對供應電壓的關係圖，其巾前述幫浦速率係為注入劑 量產生的光強度除以注入時間。幫浦速度與供應電壓到_4〇ν 範圍内呈現線性關係。超過_40V #，光會衰減。我們相信 在低供應電壓下，我們能量測主要由電泳幫浦的Ατρ。超過 -40V時，在朝向貯存區陰極的方向有電滲透發生，因而減 少了有效ΑΤΡ流出速率。 在另一實驗中，我們使用纟5的裝置3。該裝置的輸送 路徑係以ADS陰離子界面活性劑處理。因此，我們預期電 1329741 滲透及電泳會在相反的方向。直到在貯存區電極提供+ 100V 時，我們才能觀察到ATP。在此電壓下，我們可看到從來自 注入器的淨ATP電滲透流出通量為50 fmoles/秒。有效電動 遷移率為 7 X 10_5 cm2 / Vs。 由前面一系列實驗所獲得的結論，我們可知如第3圖 佈局的整合性流體注入體最佳模式為：修改注入器輸送路徑 上的固定電荷以使該電荷與被幫浦的試劑電荷相反，如此一 來電泳及電滲透就能同時運作。當被幫浦的試劑為中性時， 兩種電性的固定電荷都可被接受。 前述注入器佈局與傳統微流道的安排有明顯不同，因 為來源貯存區完全密閉。由於貯存區沒有排氣孔，當流體經 由注入器輸送路徑被電動幫浦出去時會產生背壓。我們推測 當注入器貯存區有固定大小時，貯存區中的電解質體積的減 少，會造成氣體膨脹而降低壓力。一個典型的例子，當貯存 區起初包含10%空氣時，我們可以幫浦5%貯存區體積而達 到大約0.5大氣壓的背壓。此一現象對本發明之注入器相當 有利，因為氣體可滲透絕緣體除了能濕潤起初為乾燥的親水 性基質外，也能滲透空氣。由於電動勢從貯存區排出電解質 使空氣藉由通過氣體可滲透絕緣體進入貯存區，取代原本液 體體積，造成背壓降低。我們使用已公開的PDMS空氣滲透 性數值來進行計算，由於空氣的流入速率夠高，因此我們能 達到典型的電動流而沒有背壓產生。 很清楚地，必須設計這樣具有親水性基質的無排氣孔 密閉幫浦，該幫浦能提供足夠對抗背壓的電動幫浦力。在毛 細管電動幫浦的領域中，已知當毛細管尺寸減少時，幫浦對 72 1329741 抗背壓的能力上升。傳統實驗室晶片微流道裝置使用的開口 50 μ m直徑且具有電荷管壁的毛細管或流道會限制幫浦對 抗背壓的能力。一奈米孔洞材料’如nafion，能幫浦對抗高 背麼’然而被幫浦的體積小且電流相當大。我們發現具有 50nm〜5μηι孔洞的微孔洞材料適合用此裝置的設計中，孔洞 尺寸在lOOnm〜Ιμηι更佳，因為此種材料對抗背壓且能運送 有用的幫浦體積。 我們描述另一可能的微反應器佈局及包含密閉親水性 基質的流體入/出口裝置，這些裝置可實際應用在生物檢測 上。下面進一步詳細描述本發明之使用密閉親水性基質裝置 的流體入/出口裝置。 在第五圖，有壓印孔洞及金屬薄片的環氧箔片可用於 製造具有整合電極之密閉親水性基質裝置及背側接觸，其中 前述金屬薄片係用於製造智慧卡的晶片模組。智慧卡種類的 薄片材料及方法已描述在共同申請的第〇9/871 823號申請 案中。 一具有整合背側電極的密閉親水性基質注射幫浦顯示 於第五圖。在此裝置中，有一平面絕緣環氧基板箔片500及 模切穿過箔片的孔洞501、502。下方有預先壓成薄片的的 銅羯’該銅箔經由光圖案成型形成電極接觸元件503、504， 並鍍上金。此一製程除了打洞安排及接觸金屬圖案被修飾使 其能適合用在本發明電動裝置中之外，其餘製程在智慧卡晶 片杈组的製造中皆已經確立。在環氧箔片的上端有一親水性 基質形成的輪送路徑506，及一貯存區520。親水性基質元 件507及508經由孔洞501及502接觸電極503及504,並 73 1329741 沿著路徑506及貯存區520與親水性基質接觸。一氣體可滲 透絕緣體層509塗佈在親水性基質元件506、520、507、508 上，藉此以密閉親水性基質路徑。元件506之區域510沒有 被絕緣體層覆蓋。此區域為密閉親水性注射幫浦的流出孔 洞。該模組被密封在包含流體管路512及513的卡槽511 中。潤濕密閉親水性基質幫浦的水溶液係提供給管路512， 且反應溶液提供給511。在電極503及504之間提供電壓以 將包含試劑的流體經由孔洞510送出至反應流中。 第六圖至第八圖顯示具有微區域及許多相鄰注射器的 裝置，其中微區域包含微反應器位置，注射器係提供整合化 學試劑至反應區中。發明者預先考慮了許多可能的生物檢測 型式，這些生物檢測需要微反應器及多個相鄰的流體入/出 口以提供必需試劑至微反應器中。結果，圖中所描述的裝置 佈局顯示了如何在沿著微反應器連接一個以上必需試劑的 注射器。這些佈局也顯示了某些額外設計的特徵，該特徵能 使裝置應用在更廣泛的範圍。 第六圖顯示一單一微區域之平面裝置，該裝置包含至 少一個可能的微區域陣列。 第六A圖為上視圖，及第六B圖為通過第六A圖之 ABB’A’截面的側視圖。有四個分離電極的平面絕緣基板601 上有一微區域600，其中前述電極包含兩組幫浦對602、603 及604、605。平面板上的絕緣體606覆蓋電極除了開口 607、 608 ' 609及610之區域，此覆蓋之絕緣體使親水性基質密 閉其中。前述電極在平面裝置的其他地方與一外電路連接， 外電路可以提供電極電力（圖未顯示）。 74 1329741 形成的親水性基質流體注射器有兩種，每一種包含一 貯存區及一輸送路徑，該路徑一端與貯存區連接及另一端與 流出口連接。每一貯存區包含至少一種被幫浦的化學試劑^ 且每一貯存區的試劑可為不同的試劑。第一注射器中有一位 於電極603開口 608之上的貯存區6〗2 ’及輸送路徑6ιι以 流體連接貯存區612與位於流出端B上的微反應器616，並 通過開口 607與鄰近流出端的電極6〇2電氣連接。第二注射 器中有一位於電極605開口 61〇之上的貯存區614，及輸送 路徑613以流體連接貯存區614與位於流出端B，上的微反 應器616’並通過開口 609與鄰近流出端的電極6〇4電氣連 f。氣體可滲透絕緣體615覆蓋並完全密閉每一流體注射 器’除了流體注射器的流出端之外，該未密閉的流出端係為 微反應區616上的開口。 在使用該裝置時，平面微區域與液態流體接觸（例如包 含在第六B圖顯示的微管道617，但，也同樣可能包含在微 孔洞或其他本技術領域傳統流體腔室）。水蒸氣滲透氣體可 滲透絕緣體615並濕潤密閉親水性基質注射器。管道617中 的水溶液流體或其他之後被導入管道的水溶液係可包含一 修 在微反應器616反應的樣本及其他試劑。在這期間注射器 以/瓜體連接反應器。因此，注射器貯存區的化學試劑有機會 在電極提供電力前就藉由擴散作用沿著輸送路徑移至反應 器中。當在電極603及605提供電壓並在電極6〇2及6〇4接 地時’在注射器中存在流體電渗透推進力。流體帶著貯存區 中的必需_被推出於注射㈣流出端。沿著注射器輸送路 徑的試劑電滲透輸送遠比裝置裝的擴散輸送快，該裝置在貯 存區與微反應器之間的輸送路徑長度超過議口。因此在 75 提供電滲透幫浦動力之前僅有少量或完全沒有試劑漏出至 微反應中。 第七圖是第六圖多注射器裝置，其包含一擴散停止闕 的種變化型式’第七圖顯示一平面裝置的單一微區域，該 裝置包含至少—個可能的微區域陣列。第七A圖為上視圖， 及第七B圖為通過第七A圖之ABB，A，截面的側視圖。有四 個分離電極的平面絕緣基板上有-微區域700,其中前 述電極包含兩組幫浦對7〇2、7〇3及7〇4、7〇5。平面板上的 絕緣，706覆蓋電極除了開口 7〇7、7〇8、7〇9及7i〇之區域， 此覆蓋之絕緣體使親水性基質㈣其中。前述電極在平面裝 置的其他地方與-外電路連接，外電路可以提供電極電力 (圖未顯示）。 形成的親水性基質流體注射器有兩種，每一種包含一 貯存區及-輸送路徑，祕徑—端與貯存區連接及另一端與 流f 口連接。每-貯存區包含至少—種被幫浦的化學試劑， 且每一貯存區的試劑可為不同的試劑。第-注射器中有一位 於電極703開口 708之上的貯存區712，及輸送路徑川以 流體連接貯存區712與位於流出端B上的微反應器716，並 通過開口 707與鄰近流出端的電極7〇2電氣連接。第二注射 器中有一位於電極705開口 71〇之上的貯存區714，及輸送 路713以流體連接貯存區714與位於流出端b，上的微反. 應器716,並通過開口 7〇9與鄰近流出端的電極7〇4電氣連 接。該微反應器區域716也包含_親水性基質。親水性輸送 路偟711及713的流出端藉由氣體間隙72〇及721與反應器 之親水性基質分開。氣體可滲透絕緣體715覆蓋並完全密閉 76 1329741 每一包含氣體間隙720及721的流體注射器，但密閉絕緣體 在微反應器區域716親水性基質氣體間隙之間有一開口。 在使用該裝置時，平面微區域與液態流體接觸（例如包 含在第七B圖顯示的微管道717,但，也同樣可能包含在微 孔洞或其他本技術領域傳統流體腔室）。水蒸氣滲透氣體可 滲透絕緣體715並濕潤密閉親水性基質注射器。管道717中 的水溶液流體或其他之後被導入管道的水溶液係可包含在 微反應器716反應的樣本及其他試劑。在這期間，注射器與 反應器因為氣體間隙720及721而沒有流體連接。因此，注 射器貯存區的化學試劑沒有機會在電極提供電力前就藉由 擴散作用沿著輸送路徑移至反應器中。當在703及705提供 電壓並在702及704接地時，在注射器中存在流體電滲透推 進力。被推出注射器流出端之流體取代氣體間隙，並以流體 連接注射器及反應器，因而接密閉親水性基質貯存區之必需 試劑幫浦至反應器中。這種設計在注射器尺寸縮小時特別有 價值。對於具有短輸送路徑的注射器而言（例如在貯存區與 反應器之間的路徑短於l〇〇/im)，當沒有空氣間隙作為擴散 停止閥時，可能會有明顯的試劑從貯存區洩漏至反應器。 第八圖是第六圖多注射器裝置的一種變化型式，該裝 置包含一位於幫浦下游的試劑貯存區並將貯存區流體及試 劑推送至鄰近微反應器中。第八圖顯示一平面裝置的單一微 區域，該裝置包含至少一個可能的微區域陣列。第八A圖 為上視圖，及第八B圖為通過第八A圖之ABB’A’截面的側 視圖。有四個分離電極的平面絕緣基板801上有一微區域 800，其中前述電極包含兩組幫浦對802、803及804、805。 77 U29741 平面板上的絕緣體806覆蓋電極除了開口 8〇7、8〇8、8〇9及 810之區域，此覆蓋之絕緣體使親水性基質密閉其中。前述 電極在平面裝置的其他地方與一外電路連接，外電路可以提 供電極電力（圖未顯示）。 形成的親水性基質流體注射器有兩種，每一種包含一 幫浦貯存區812、814及一輸送路徑811及813，該輸送路 徑一端與幫浦貯存區連接及另一端與流出口連接。在每一注 射器接近輸送路徑流出端的位置上，有試劑貯存區82〇、 。每一試劑貯存區包含至少一種被幫浦的化學試劑，且 每一貯存區的試劑可為不同的試劑。第一注射器中有一位於 電極803開口 808之上的幫浦貯存區812，及輸送路徑811 以机體連接幫浦貯存區812與位於流出端B上的微反應器 816，並通過開口 807與電極8〇2電氣連接，該電極8〇2鄰 近流出端但不靠近試劑貯存區82〇之上游。第二注射器中有 位於電極805開口 810之上的貯存區814，及輸送路徑813 以流體連接幫浦貯存區814、試劑貯存區821與位於流出端 B上的微反應器816’並通過開口 8〇9與電極8〇4電氣連接’ 亥電極804鄰近流出端但不靠近試劑貯存區82丨之上游。氣 體y滲透絕緣體815覆蓋並完全密閉每一流體注射器，除了 其机出端之外。該流出端具有一開口設於微反應器區域816。 在使用該裝置時，平面微區域與液態流體接觸（例如包 含在第八B圖顯示的微管道817，但，也同樣可能包含在微 孔洞或其他本技術領域傳統流體腔室）。水蒸氣滲透氣體可 滲透絕緣體815並濕潤密閉親水性基質注射器。管道817中 的水溶液流體或其他之後被導入管道的水溶液係可包含一 78 1329741 在微反應器816反應的樣本及其他試劑。當在電極803及 805提供電壓並在電極802及804接地時，在注射器中存在 流體電滲透推進力。來自幫浦貯存區的流體推動試劑貯存區 中的試劑經由注射器流出端至微反應器中。從注射器流出端 被推出的材料係為試劑貯存區中包含的物質。此種設計特別 適合注射器之幫浦貯存區内容物及注射器輸送路徑與被幫 浦的試劑或反應器内發生的生物檢測反應不相容的狀況《此 一不相容性可能由下面兩種方式中的一種顯現。第一，如果 用來有效運作幫浦的材料對生物檢測反應有害時，這些材料 不應從注射器的流出端驅出。幫浦貯存區與路徑可能包含， 例如，濕潤劑、氧化還原材料與緩衝液鹽類，這些物質必需 使注射器幫浦性質最佳化，且這些材料部份或全部可能對生 物檢測反應有害。第二，被幫浦的試劑本身可能會損害幫浦 的有效運作。例如試劑可能具有高離子強度或被輸送路徑的 親水性基質壁所吸收，因而減少幫浦的電滲透係數或減少試 劑的電泳輸送。被幫浦的試劑在一幫浦電極上可能具有電活 性及電化學反應。既然試劑貯存區在兩注射劑器幫浦電極所 產生的電場區之外，試劑貯存區的内容量必需幫浦至反應器 以進行生物檢測而不會危害幫浦的效能。 在第一圖至第三圖所示之裝置及前述進一步詳細地說 明實施方式顯示，密閉親水性基質環道如何與一些不同傳統 流體元件組合，傳統流體元件包含腔室及管道。為了更進一 步了解可能使用密閉親水性基質裝置的微流體電路佈局範 圍，及這些裝置如何與傳統微流體元件結合，我們在下面進 一步詳細描述裝置佈局與其使用模式。 79 1329741 第九A圖在平面圖上描述一種實施態樣。本發明之裝 置係為一單—微區域9〇3或，如圖所示，為一可進行化學反 應之微區域陣列9〇〇。該陣列之微區域包含一單一微反應區 905，由一種或多種幫浦組成之整合奈米微流體入/出口裝 置，及經由輸送路徑906連接微反應器之試劑貯存區9〇4 : 前述奈米流體入/出口裝置係為一密閉親水性基質。如圖箭 頭906所不，奈升體積的流體可從每一微反應器抽出或從鄰 近貯存區抽出注入微反應器中，因此稱為奈米流體入/出 口。第九A圖亦顯示一微流體入/出口裝置，該裝置由一個 或多個幫浦組成，且試劑貯存區901經由輸送路徑9〇2連接 至陣列900中。較大體積的微升流體可從每一陣列抽出或從 鄰近貯存區提供給陣列’因此稱微流體入/出口。微流體入/ 出口裝置係為一密閉親水性基質環道。在使用時，至少部分 裝置平面頂端表面的區域或第九圖的陣列與至少一液態溶 液接觸，該液態溶液包含被檢測的樣本。 第九B圖更詳細顯示環繞一微反應器之奈米流體入/出 口佈局。圖中顯示一具有被幫浦試劑的陣列，包含貯存區 907、909及911，該貯存區可供流體分別沿著路徑9〇8、91〇 及912流入微反應器905中。發明人已考慮到在微反應周圍 環繞的數個貯存區與可獨立控制的幫浦在不同生物檢測裝 置中會有所不同，可藉由進行的檢測來決定其安排^在第九 B圖中也顯示一可從微反應器抽出流體至貯存區913的路徑 914，該貯存區913係作為廢液腔室。此外，圖中也顯示另 一可選擇之路徑916，係可從微反應器中抽出流體送至一分 離裝置915中，並沿著路徑918進入廢液區917 ^由試劑貯 存區907、909、911 ’分離區915，廢液區913、917，連接 80 1329741 内部區域之路徑918,及連接前述區域與微反應器之路徑 908 910、912、914、916，前述區域及路徑一同建構包含 密閉親水性基質之奈米流體入/出口裝置。奈米流體入/出口 元件的數量及種類與其佈局係由檢測型式來決定。 第十A圖顯示一微區域1000平面圖，該微區域1〇〇〇 包含至少一微反應器1〇〇2，包含試劑之流體入/出口貯存區 1001，及輪送路徑1003。第十A圖亦顯示一橫截面A A，， 第十B至第十〇圖顯示本發明通過第十a圖橫截面A_A，之 不同微反應器與流體入/出口佈局之側視圖。第十B圖顯示 一平面絕緣基板與試劑貯存區1〇〇1及連接至微反應器 1004之路徑1003。有一絕緣體1〇11係包圍區域1〇〇1及路 徑1003。區域1001及路徑1〇〇3係由親水性基質組成。區 域1〇〇1係為包含乾燥試劑之貯存區。至少有絕緣體1〇11的 某些部分具有水蒸氣輸送能力，因而能在使用期間或使用之 前濕潤起初為乾燥的親水性基質1〇〇1及1〇〇3。該裝置頂端 表面至少有一部份浸於液態溶液中，水穿透至少一部份絕緣 體1011至親水性基質中而潤濕基質。親水性基質區域1〇〇1 與路徑1003及密閉絕緣體10U共同包含密閉親水性基質環 道。在第十B圖的實施態樣中，微反應器1〇〇4係為一由絕 緣體1011開口定義之平面表面微孔洞。 第十C圖顯示另一種可選擇之微反應器及流體入/出口 佈局圖。前述微反應器係由親水性基質1005組成，前述親 水性基質係位於絕緣體1011的開口 1〇〇6之中。反應係發生 在1005之上或之中。區域ι〇01、路徑1〇〇3與絕緣體1〇11 包含一密閉親水性基質環道’該環道係可作為微反應器之流 8] 1329741 性基質裝置’其巾㈣置係由幫浦試劑貯存區與輸送路徑組 成。流體入/出口係可從流道1104注入或抽出化學物質》 第十-B圖係為通過第十一 A圖之A_A，橫截面的側視 圖。該圖顯示一平面絕緣基板111〇及一整合流體入/出口元 件1101’其中該流體入/出口元件11〇1包含由一或多種親水 性基質形成之貯存區域、路徑及選擇性之微反應器。該絕緣 體1102密閉親水性基質元件〗丨〇丨。絕緣體丨丨〇2至少有一 部份水蒸氣能穿透而在使用之間或之前濕潤乾燥的親水性 基質1101。平面基板1110及密閉親水性基質環道提供之整 合流體入/出口與其他平面絕緣元件lm、1112接合形成流 道1104，微區域11〇〇或微區域陣列即包含在流道中。流體 可藉由傳統流體幫浦方法沿著傳統微流體流道！ 1〇4被引入 或移出，前述傳統流體幫浦方法包含毛細電動幫浦或氣體幫 浦。液態水溶液通過至少一部份絕緣體11〇2輸送至流道 1104，使至少一部份親水性基質環道11〇1之頂端表面浸泡 於水溶液中而潤濕》—通過絕緣體11 〇2之開口 11 〇3以流體 連接密閉親水性基質環道1101及流道11〇4之流體，能使輸 送試劑從密閉親水性基質環道進入流道1104之流體中。本 裝置另一種可選擇之使用方法包含，流道1104中包含檢測 溶解樣本之流體可導引至微反應器中，該微反應器包含在密 閉親水性基質環道中。 流道1104之流道覆蓋元件mi、m2可作為單一元 件。流道1104係使用本技術領域已知的方法製作，例如雷 射蒸鑛（laser ablation)、蝕刻或鑄模技術。或者，如圖所示， 覆蓋元件可能為最後密封組成的兩元件1111及1112«在此 83 1329741 實施態樣中’ 1111係為一平面板及1112係為一具有狹縫的 薄板或一建構於平面基板1110或平面板mi上之成型襯墊 元件。 一選擇性試劑1115沉積在平面板im上。例如1U1 包含固定在其上的捕捉分子。在使用第十一圖包含捕捉試劑 1115的裝置時，該平面板首先如傳統微陣列實驗一樣與 一測試樣本反應使捕捉位置上捕捉樣本分子。薄板Ull與 包含整合流體入/出口裝置之薄板1110組裝一起，所以在該 裝置流體流道中的每一微區域上都有一流體入/出口裝置及 一捕捉位置。試劑從整合流體入/出口裝置導入至微反應器 中以完成生物檢測。 第十一 c圖顯示本發明之陣列1120如何適當安排在習 知技術中微流體流道1130、1131及n32中，其中陣列112〇 係由包含整合流體入/出口之微區域1121_1129組成。流道 1130連接腔室1141-1143之陣列，流道1131連接腔室 1144-1146之陣列，流體1132連接腔室1147_1149之陣列。 因此，形成一使用習知流體流道連接之腔室陣列，其中每一 流體流道包含一具有本發明整合流體入/出口之微區域。 第十一 A圖與第十二b圖係為一實施態樣圖，其中微 反應器與本發明整合流體入/出口係整合於一洞中，或整合 於習知微平盤孔洞陣列中。 第十一 A圖與第十二b圖分別顯示__包含整合流體入/ 出口之微區域12GG平面與側面圖。該圖顯示—平面絕緣基 板1210及-整合流體入/出口元件12〇1，其中該流體入/出 84 1329741 平板1260與其㈣可先浸泡在試溶液巾，使微區域陣 列與測4减進行化學反應ϋ蓋平板與微區域陣列的 使用模式與習知技術的標準微陣列使用方式相似。例如，如 同本技術領域中的蛋白質或DNA陣列，本裝置之126〇可能 為一包含捕捉位置陣列之平面基板，當曝露於測試流體中 時，在測試溶液的結合補替位置上會發生結合反應^之後， 該平板對準組合並與流體人/出口裝置陣列接近但保持距 離，如第十二D圖所示。液態流體1263導入兩接近平板中 (第十二Ε圖）’然後夾緊該兩平板。當平板夾緊後如第十 二F圖所示，孔洞陣列被流體填滿，但每一孔洞仍藉由洞壁 元件1261獨立於其他孔洞。接著進行生物檢測程序，將試 劑從整合流體入/出口幫浦至孔洞陣列中的每一獨立孔洞 中，其申每一獨立孔洞中包含一流體入/出口。生物檢測反 應使用微陣列或微平盤領域已知的標準技術來監測，例如光 學裝置。 在本裝置的另一使用態樣中，將兩平板靠近（第十二D 圖），在兩平板間導入測試流體（第十二E圖），然後將兩平 板夾緊。在此實施態樣中，平板126〇微區域中的試劑只與 獨立孔洞中的流體作用。 第十三圖係顯示本發明整合電動注射幫浦陣列如何以 電氣連接。 大部分可彎曲的電氣連接幫浦陣列允許陣列的每一幫 浦區域能有獨立的位址。較佳係為每一幫浦區域有一位置專 一位址且獨立於其他區域。第十三圖顯示一平面基板135〇 上的微區域陣列。在每一微區域中有一微反應器及一整合流 86 1329741 體入/出口裝置’該裝置包含-本發明之密閉親水性基質注 射器。每一注射器1313有兩電極可提供電動幫浦電力。其 中一電極連接至一水平列電極1340,及另一電極連接至二 垂直欄電極1330。列電極接觸陣列可在平板裝置135〇的— 邊連接外電路，及欄電極接觸陣列在另一邊連接外電路j提 供每一微區域幫浦電力之掃描電路與用於提供矩陣Lcd顯 示器電力之掃描電路相似。為了降低應用成本，較佳係使用 與本發明習知的P M L C D矩陣位址技術相似之被動矩陣控 技術。 二 有兩種可能的方式能驅動幫浦陣列：逐行（line_by ^n〇 或逐區（pixel-by-pixel)(微區域接著微區域）。在逐行定位模 式中，行Yl，Y2，Y3...Ym依序從開口電路通過暫存器與開關 陣列1310接地。隨著Y1連接，電壓VHV21V,, v π 1 3t···Vnl 同時 供應給列又1，又2，又3...又11.(逐列書寫）。從電腦13211)八〇串 聯資料流獲得列電壓提供給一暫存區1311、樣本和支#, 衝液1312。接下來，當Y2連接時，電壓Vl2 ~ 供應給列。並依此類至整個陣列。在逐區定位模式中，行= 以前述方法定位，但在此模式中我們從開口電路通過開關陣 列依序連接每一列至DAC，由此依序提供列電壓。行電节 係為包含逐區資料之序列字串。該序列字串可用於回饋= 制。逐區定位模式遠慢於逐列模式。 "" 一包含10,000微區域之生物晶片需要1 〇〇列及i 〇〇 以提供全部200個接點的連接能力。因為生物晶片是—種用 完即丟的裝置，200個接點形成高密度接點裝置，係可供重 複接觸（例如技術領域中已知的電子測試或燒入應用）。適去 87 1329741 的技術為用於高密度包裝ic測試者之ζ·動作聯結器，如電 子元件電路測試者使用之彈簧針陣列，或ζ·動作金屬針腳技 術，如晶片測試者使用之直接接觸晶片襯墊都屬適當技術。 QFP 1C包裝測試及燒入插座為較佳可用於此應用領域的現 成技術。該裝置能與每邊具有數百針腳之裝置接觸，並打斷 重複接觸本發明之高密度陣列。 第十一圖之兩電極幫浦陣列可使用兩金屬層平面製程 來製作。第一金屬層係沉積在一平面基板上，且水平列電極 元件陣列係藉由光蝕刻製程製作。接著，在列電極上沉積一 獨立絕緣層，該絕緣層在每一幫浦連接位置上有一開口。然 後沉積第二金屬層，並藉由光蝕刻製程製作垂直行電極元 件，在行電極上沉積第二獨立絕緣體，該絕緣體在每一幫浦 電極位置上有一開口。在此方法中，每一幫浦區域上有一對 電極。陣列上的行與列交又點係為電流獨立。在該裝置平方 陣列上的每一對電極建構一密閉親水性基質裝置以形成一 密閉親水性基質注射器於每一微區域中’即完成該裝置。 在使用上，該平面裝置係浸於一種或多種測試溶液 中，以進行多樣生物檢測反應，陣列的每一微區域可進行一 種反應。包含試劑的流體藉由電動幫浦從整合貯存區導入陣 歹二的，-微反應H中，如下所述。陣列中微反應器的反應進 =可藉由偵測裝置監測，及裝置陣列反應的進程可藉由偵測 器陣列來監測。_器陣列已是本技術領域所熟知，較佳光 干偵測裝置包含光學掃描器及CCD攝影機。 一幫浦電力的回饋控制係為一種較佳的使用模式。有兩 種實施回饋控制的方式。最佳的方式係為在幫浦貯存區中併 88 浦m’/ 質能隨著生物檢測試劑一起被幫 _系統讀二藉由同樣的生物 的幫哺雷泣^ 在另方式中，我們能量測每一位置 中，我們使用該訊號進行回饋控制。在逐線定位模式 我們以由㈣位置專—性的光學輯來操作回饋控 能量Γ每=控制幫浦電流而操作_制，因為我們不 為了說明本發明，本說明書已揭露本發明之特殊實扩 態樣，然而任何不脫離本發明精神之可能的更動修飾' 含在本發明之申請專利範圍中。 都包 89 1329741 【圖式簡單說明】 第一圖係顯示一密閉親水性基質裝置，係由薄膜微建構 技術製作。 第二圖係顯示一具有整合電極的密閉親水性基質裝 置，係由厚膜或結合薄/厚膜技術建構。 第三圖係顯示一具有整合電極與整合密閉貯存區之密 閉親水性基質裝置，係由厚膜或結合薄/厚膜技術建構。 第四A圖係說明從整合注射器電動注入ATP之化學發 光輸出對時間關係圖。 第四B圖係說明一整合ATP注射器之劑量反應曲線 第四C圖係說明一整合ATP注射器之幫浦速率電壓關 係圖。 第五圖顯示一具有整合電極與通過基板電氣連接之密 閉親水性基質裝置，係由厚膜或結合薄/厚膜技術建構。 第六A圖係為一微區域之上視圖，該微區域係由一微 反應器與複數個整合流體注射器組成。 第六B圖係為一微區域之側視圖，該微區域係由一微 反應器與複數個整合流體注射器組成。 第七A圖係為一微區域之上視圖，該微區域係由一微 反應器與複數個包含擴散停止閥之整合流體注射器組成。 90 1329741 第七B目係、為—微區域之側視圖，該微區域係由-微反應 器與複數個包含擴散停止閥之整合流體注射器組成。 第八A ®係為—微區域之上視圖，該微區域係由-微 反應器與複數個包含分離幫浦貯存區及試劑貯存區之整合 流體注射器組成。 第八B圖係為—微區域之側視圖，該微區域係由一微 反應器與複數個包含分離幫浦貯存區及試劑貯存區之整合 流體注射器組成。 ，第九。。A圖係為—微區域陣列之上視圖，該微區域係由 微反應β、整合奈采流體入/出口及整合微米流體入/出口 組成。 第九Β圖係為—微區域之上視圖該微區域係由一微 反應器與詳細整合奈米流體人/出口路徑組成。 第十A ϋ係為_微區域陣狀上視圖，該微區域係由 一位於孔狀微反應器及整合奈米越人/出口組成。 第十Β ®係為一微區域陣列之側視圖，該微區域係由 f位於孔洞之微反應器及整合奈米流體入/出口組成，其中 δ玄整合奈米流體人/出口包含—密閉親水性基質裝置。 第十C圖係為一微區域陣列之側視圖，該微區域係由 f位於孔洞之微反剌及整合奈㈣體入/出 口組成，其中 »亥正α奈米流體入/出口包含一密閉親水性基質裝置。 第十D圖係為一微區域陣列之側視圖該微區域係由 4 孔洞之微反應器及整合奈米流體入/出口組成，其中 °玄1 σ奈米流體入/出口包含一密閉親水性基質裝置。 第十一Α圖係為一微區域陣列之上視圖，該微區域係 由一位於流道之微反應器及整合奈米流體入/出口組成。 第十 B圖係為一微區域陣列之側視圖，該微區域係 由f位於流道之微反應器及整合奈米流體入/出口組成，其 中遠整合奈米流體入/出口包含一密閉親水性基質裝置。 第十c圖係為一微區域陣列之上視圖，該微區域係 由位於陣列流道之微反應器及整合奈米流體入/出口組 成。 第十一 A圖係為一微區域陣列之上視圖，該微區域係 由一位於孔洞之微反應器及整合流體入/出口組成。 第十二B圖係為一微區域陣列之側視圖，該㈣域係 由一位於孔洞之微反應器及整合流體入/出口組成。 第十- C圖至第十二F圖係為一微孔洞陣列之側視 圖，該微孔洞陣列係與整合流體入/出口裝置組裝。 第十三圖係為-電動幫浦陣列電路及其電氣連接區塊 圖式β 92 1329741 【主要元件符號對照說明】 100…基板 101…二氧化石夕層 102、 105…外金屬元件 103、 104…内金屬元件 10 6…絕緣層 107、108、109、110…接觸 墊片開口 111、112、113、114…電極 開口 115、117···貯存區域 116···親水性基質路徑 118···絕緣體 200…基板 202···親水性基質輸送路徑 204、205···端點 207···聚碳酸酯平板 208、209、210·.·腔室 215、216、217、218..·電極 242···流體管 250···注射針筒 300…基板 302···輸送路徑區域 303..·氣體可滲透層 304…區域 3 0 5…流出端 305···流出端 306·.·彈性襯墊 307···聚碳酸酯板 308···腔室 309".入口管 310···出口管 315、316、317、318."電極 320···光纖束 350···江射器 500···環氧基板箔片 501、502…孔洞

93 1329741 503、504…電極 506、507、508…親水性基質 元件 509···氣體可滲透絕緣體層 510…孔洞 511----^槽 512、513…流體管路 520.··貯存區 600···微區域 601…基板 602、603、604、605…幫浦 606···絕緣體 607、608、609、610…開口 611···輸送路徑 612···貯存區 613···輸送路徑 614···貯存區 615···絕緣體 616···微反應器 617···微管道 700···微區域 702、703、704、705…幫浦 706…絕緣體 707、708、709、710…開口 711、 713…輸送路徑 712、 714…貯存區 715···絕緣體 716···微反應器 717·.·微管道 720、721…氣體間隙 800···微區域 802、803、804、805...幫浦 806…絕緣體 808、808、809、810·.·開口 811、 813…輸送路徑 812、 814…貯存區 815···絕緣體 816···微反應器 94 1329741 1202…絕緣體 1203·.·開口 1204···孔洞 1210…基板 1211…絕緣元件 1250…基板 1251…親水性基質環道 1252…絕緣體 1253…開口 1260…平面板 1261…洞壁元件 1262…試劑 1263…液態流體 13 10…陣列 1311…暫存區 1312…支撐緩衝液 1313…注射器 1321…電腦 1330、1340···電極

Claims (1)

1329741._____ 乃年l月丨修正本 " — 拾、申請專利範圍： 1. 一種可輸送液態溶質之密閉親水性基質裝置，包含 一電絕緣基板； 一親水性基質路徑，係位於基板上，並可電 ^ 路徑具有一對分離的接觸區域’該接觸區域::分別: 電力來源電氣連結以沿著親水性基質路#產生電動勢；' 一固定於基板之電極，其中該電極具

'與電力來源連接，該基質端:二 位置之一電氣連接； 貝接觸 其中該基質包含濕潤劑， 一開始為乾燥狀態之親水性基質 其可用於增加基質水分吸收速率； 絕緣Μ其：： 絕緣體係將基質密閉在 透之材質所製成：及 …H參透且溶質不可滲

水溶液溶質通過絕緣絕緣體中’其*前述開σ係作為 ^前述親水性基質起初為乾燥及*具電傳導性之非活性狀 由水通過前述絕緣體之水蒸氣可渗透材料而被前述親 ^吸收，使親水性基質轉變成濕潤狀態及具電傳導性之活 炫·狀態。 97 1329741 質端，接觸端係與電力來源連接，A 置之—電氣連接。 基質鳊係與親水性基質接觸位 3. 如申睛專利範圍第1項 可渗透絕緣體，藉由毛細仙通^其中㈣絕緣體係為氣體 姐猎由七.，.田作用通過開口使基質吸收水分。 4. 如申請專利範圍第1項所述之 潤開口，传可作从㉝.f . B〜、中别述絕緣體包含-濕 在水八緣體係減射滲透，係可 的氣體攻出。 $入基質期間’使密閉基質間 ^子如旦申請φ專利範圍第1項所述之裝置，其中前述濕_係為-低 :二：t分子，該中性分子溶解於水中形成-具有明顯低於 =浪度純水水蒸氣壓之液相溶液，其^溶液之黏度並沒㈣ 顯间於純水。 6·如申請專利範圍第i項所述之裝置，其中前述濕__自下 )群組.尿素、丙氨酸、orthinine、杏仁糖、離胺酸、甘胺酸、 夕辑及酿類：Μ糖、葡萄糖、木糖醇、山黎醇、甘露醇、乳糖、 麥芽糖、乳果糖、甘油、丙稀乙二醇、檸檬酸、酒石酸、 及其混合物。 7.如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中前述基_電極在 接觸位置的電氣連接係可藉由電極與基質材料在接觸 接物理接觸而達成。 8·如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中前述電極與基質師 在接觸位置上係為"分離，及電氣連結係可藉由中間傳導物質 而達成。 98 1329741 9.如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中前述電極與基質路和 在接觸位置上係為空間分離，及電氣連結係可藉由親水性中間^ 導物質而達成，其巾前述親水性t間傳導物質杨為乾燥狀:， ^基質為乾燥狀態衫具傳導性狀態，當基質_時能提二傳 1〇·如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中前述電極與基質路 徑在接觸位置上係為空間分離，及電氣連結係可藉由親水ς物質 而達成，其中前述親水性物質包含位在接觸位置上的基質且起初 為乾燥狀態，且當基質為乾燥狀態時不具傳導性狀態:當基質= 濕後能提供傳導性及在接觸位置上空間分離之電極與基^开^ 成電橋》 、土曰> 如申請專利範圍帛！項所述之裝置，其中前述親水性基質路 徑具有固定電荷可供電滲透輸送液態溶液通過該路徑。 如申請專利範圍第丨項所述之裝置，其中前述親水性基質包 3試劑’該試劑可被電動幫浦通過前述開口。 13. 如申請專利範圍第12項所述之裝置，其中前述試劑在基質為 乾燥態時係為乾燥狀態，前述乾燥狀態之試劑具有位置盘 籍 定性。 ’、予镙 14. 如申請專利範圍第i項所述之裝置，其中前述親水性基質 含電解質鹽類。 15如申請專利範圍第14項所述之裝置，其中前述基質中最大 解質鹽類濃度係為10mM。 16.如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中前述濕潤劑係為中 99 1329741 性分子。 中前述中性濕潤劑係 莫耳》 17.如申請專利範圍第15項所述之裝置，其 添加以使基質濕潤狀態之濕潤濃度能大於1 ^如巾請專利_第i項所述之裝置，其巾前述親水性基質進 一步包含一氧化還原添加劑。 添加 質係 如申請專利範圍第18項所述之裝置，其中前述氧化還原 劑係為中性。 20.如申請專利範圍第i項所述之裝置，其中前述親水性美 為微孔洞。 = 如申請專利範圍第20項所述之裝置，其中前述基質之微孔洞 係介在5〇 nm與5 μπι之間。 22.如 之 申請專利範圍第1項所述之裝置，其中前述親水性基質 最大厚度係為50μιη。 土 如申請專利範圍第i項所述之裝置，其中前述水蒸氣可滲透絕 緣體之厚度係小於25 μπι。 2 4 j, •申晴專利範圍第2項所述之裝置，其中前述一對電極之一係 乍為陰極電極以提供氧氣還原反應，及前述密閉絕緣體係為氣體 可渗透以使氧氣在絕緣體中側向擴散。 )_ 5 . •申睛專利範圍第2項所述之裝置，其中前述一對電極之—係 2為陽極電極以提供水氧化反應，及前述密閉絕緣體係為氣體可 夕透X使氧氣在氣體可滲透絕緣體中侧向滲透而移出電極區域。 26·如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中前述親水性基質材料 100 1329741 係為可乾蝕刻之材料。 2含7可利範圍第25項所述之裝置，其中前述親水性基質包 3 J乾蝕刻之添加劑。 中請專利範圍第1項所述之裝置，其中前述親水性基質路 二匕3-貯存區，其中該貯存區包含—試劑，該 輸送沿著Μ料被輸送。 由電動 29.如巾請專利_第27賴述之裝置，其巾前魏水性基質貯 :^係為環形並包含區域沉積之試劑，其中前述試劑係來自微 刀散器、噴墨分散器或針轉移分散器。 八如申π專利範圍第26賴述之裝置，其巾前述親水性基質包 3供溶質傳輸之輸送路徑，且前述輸送路徑包含氣體間隙，誃 體間隙係位在基質貯存區與絕緣體開口之間。 ； 31.如請專利範圍第27項所述之裝置，其中前述基質包含第二親 水性基質貯存區，該第二親水性基f貯存區係介在其他電極與前 述開口間。 申請專利範圍第31項所述之裝置，其中前述第二貯存區包 含一試劑，該試劑可藉由電動幫浦被輪送通過前述開口。 33. 如申請專利範圍第2項所述之裝置，其中前述基質具有一對相 對表面，前述基質路徑係位在前述基板表面之一，及至少有一電 極固定在另一基板表面，前述基板之外型與構造係可使基質與位 於相對基板表面之電極電氣連結。 34. 如申請專利範圍第33項所述裝置，其中前述基板包含一通 道，係可使位於接觸位置之一的基質與位於相對基板表面之電極 1329741 物理及電氣連結。 35.如申請專利範圍第33項所述之裝置，其中前述之一對電極係 位在一基板表面，基質係位在相對基板表面上，及前述基板的每 一接觸位置具有一穿越通道，前述基質材料延伸穿越通道與個別 電極接觸。 36.—具有整合流體入/出口之微反應器裝置，包含： 一絕緣基板； 一對固定於基板之電極，其中每一電極具有一接觸端及一 ® 基質端，該接觸端係與外電路連接以提供電力，該基質端係與親 水性基質電氣連接； 一親水性基質路徑，係位於基板上，可電動輸送溶質，其 中前述基質路徑係包含一貯存區，係可貯存試劑；一輸送路徑， 係可電動輸送試劑；一分離的微反應器，係可進行化學反應；及 一對空間分離的接觸位置，係可分別與電極之基質端電氣連結； 前述基質初始時係為乾燥狀態並包含一可增加基質水吸收速率 之濕潤劑； 癱 一密閉親水性基質之絕緣體，其中該絕緣體係將基質密閉 在絕緣體與基板之間，前述絕緣體係由水蒸氣可滲透且溶質不可 滲透之材質所製成；及 一開口，係位於基質上方絕緣體中，其中前述開口係作為 水溶液溶質通過絕緣體之通路； 其中前述親水性基質起初為乾燥及不具電傳導性之非活性狀 態，並且藉由水通過前述絕緣體之水蒸氣可滲透材料而被前述親 102 1329741 態及具電傳導性之活 水性基質吸收，使親水性基質轉變成濕潤狀 性狀態。 其中前述裝置 ’係可輸送至 37·如申請專利範圍第36項所述之微反應器裝置， 包含複數個貯存區，其中每一貯存區包含不同試劑 微反應器中。 38. 如申請專利範圍第36項所述之微反應器裝置其中前述裝置 包含複數個微反應器，係可接受來自貯存區之試劑。 '、 39. 如申請專利範圍第36項所述之微反應器裝置其中前述開口 係位在貯存區與微反應器之間。 40. 如申請專利範圍第39項所述之微反應器裝置，其中前述基質 路徑包含延伸至接觸區域之間的第一部份，及在第一部份延二區 f第二部分；前述裝置進一步在基質路徑中包含間隙以防止貯存 區試劑滲透輸送通過該路徑，前述間隙係位於第一區域及貯存區 與微反應器之間。 °° 41. 如申請專利範圍第36項所述之微反應器裝置，其中前述基質 路徑包含延伸至接觸區域之間的第一部份，及在第一部份延伸區 之第二部分；前述貯存區係位於第二部分，及前述開口係位於貯 存區與第一部分之間的第二部分。 42. 如申請專利範圍第36項所述之微反應器裝置，其中前述基質 路徑包含申聯之第一部份、第二部分及第三部份，前述第二部分 延伸至接觸區域之間，前述貯存區係位於第一部分，及開口與微 反應器係位於第三部分。 43. 如申請專利範圍第42項所述之微反應器裝置，其中前述裝置 103 1329741 包含一第二貯存區，該第二貯存區係位於第二部分。 44. 如申請專利範圍第43項所述之微反應器裝置，其中前述裝置 進一步在基質路徑中包含間隙，前述路徑係位於第二及第三部份 之一，以防止貯存區試劑滲透輸送通過該路徑，前述間隙係位於 第二貯存區與開口之間。 45. 如申請專利範圍第44項所述之微反應器裝置，其中前述間隙 係位於貯存區及第三部份之間的第二部分。 46. 種親水性基質流體入/出口裝置之平面陣列，包含—微區域 陣列’其t每-微區域包含j請專利範圍第27項所述之 性基質裝置。 47. -種平面微反應器陣列，包含一微區域陣列，其中每一微區域 包含一申請專利範圍第36項所述之微反應器裝置。 48. 如申請專利範圍第47項所述之平面微反應科列，其中每一 反應器裝置係建構來執行核酸雜交反應。 49. 如申切專利範圍第47項所述之平面微反應器陣列，其中每一 反應器裝置係建構來執行蛋自質_蛋自質相互作用。 5〇.-種生物檢測裝置，包含結合中請專利範圍第27項所述之密 閉親水! 生基質裝置與—具有整合流體人/出口之微反應器裝置，其 一絕緣基板； 對固疋於基板之電極，其中每-電極具有-接觸端及一 基質端’該接觸端係與外電路連接以提供電力，該基質端係與親 104 1329741 水性基質電氣連接； ”土質路控’係位於基板上，可電動輸送溶質，其 中刖述土貝路㈣包含—貯存區’係可貯存試劑；—輸送路徑， 係可電動輸送試劑；-分離的微反助，係可進行反應 一對空間分離的接齡置，係可分別與f極之基f端電錢結及 前述基質㈣時係為乾驗態並包含—可增加基f水吸收 之濕潤劑； -松閉親水性基質之絕緣體，其中該絕緣體係、將基質密閉 在絕緣體與基板之間，前述絕緣體係由水蒸氣可渗透且溶質不可 滲透之材質所製成；及 一開口’係位於基質上方絕緣财，其巾前述開口係作為 水溶液溶質通過絕緣體之通路； 其中前述親水性基質裝置之絕緣體開口與前述反應器裝置之絕 緣體開Π部分重疊，係用來交換試劑；及前述親水性基質裝置係 用來電動輸送試劑，該試劑係從貯存區通過開口被電動輸送至反 應器裝置中。 51. —種生物檢測裝置，包含： 一第一平面陣列，係如申請專利範圍第47項所述之平面微 反應器陣列，其中該陣列之微反應器裝置安排係依循事先選擇之 間距與重複區域； 一第二平面陣列，其中前述第二平面陣列包含複數個微區 域，且每一微區域包含一固定反應物並與第一平面陣列之微反應 器裝置具有相同間距與重複區域； 105 叫9741 一對準裝置，係可對準ji平s a 平面瞌别，估义、+、 、面之刖迷第一平面陣列及前述 車歹j ’使則述兩平面陣列伴牲一 述第一承品砝丁®丨平幻保持一疋之平行距離，其中前 面陣列之微反應器個別與前述第二平面陣列 第 對準 之微區域 一平面陣列 —導入裝置’係可將流 與第二平面陣列之間；及 达閉裝置’係可密閉每—對微反應器及相對之 形f-獨立且充滿流體之孔洞陣列，其中每一 二二 =:反應器、一第二平面陣列之空間分離的平行微區域: 52.—生物檢測裝置，包含： 一平面微反應器陣列，其係包含微區域陣列，其中每一微 區域包含-微反應H，以微反應器安㈣依循事先選擇之間距 與重複區域；前述每一微反應器係包含： 一絕緣基板； -對固定於基板之電極’其令每一電極具有一接觸端* 及一基質端，該接觸端係與外電路連接以提供電力， 該基質端係與親水性基質電氣連接； 一親水性基質路徑，係位於基板上，可電動輸送溶質， 其中前述基質路徑係包含一貯存區，係可貯存試劑； 一輸送路徑，係可電動輸送試劑；一分離的微反應器， 係可進行化學反應；及一對空間分離的接觸位置，係 可分別與電極之基質端電氣連結；前述基質初始時係 106 1329741 為乾燥狀態並包含一可增加基質水吸收速率之濕潤 劑； 一密閉親水性基質之絕緣體，其中該絕緣體係將基質 密閉在絕緣體與基板之間，前述絕緣體係由水蒸氣可 滲透且溶質不可滲透之材質所製成；及 一開口 ’係位於基質上方絕緣體中，其中前述開口係 作為水溶液溶質通過絕緣體之通路； 一平面陣列’係如申請專利範圍第46項所述，其中前述平 面陣列具有親水性基質流體入/出口，其安排係與該平面微反應器 陣列之微反應器裝置之間距與重複區域相同； 一對準裳置’係可對準共平面之前述平面微反應器陣列及 刚述平面陣列，使前述兩陣列保持一定之平行距離，其中前述平 面微反應器陣列之微反應器相對於前述平面陣列之親水性基質 流體入/出口裝置； 導入裝置，係可將流體導入共平面之前述平面微反應器 陣列與前述平面陣列之間；及 ^ 密閉裝置，係可密閉每一對之微反應器及相對之親水性 基質流體人/出口以形成—獨立且充滿流體之孔洞陣列其中每一 孔洞3平面微反應器陣列之微反應器，一平面陣列之空間分 離的平行親水性基該體人/出口裝置及中_流體。 如U利範圍第51或52項所述之生物檢測裝置，其中前述 裝置進一步包含可檢測每一獨立孔洞中反應之裝置。 54·—種生物檢測裝置，包含： 107 1329741 第一微反應器裝置’其係如申培直刹γ£ s 微反應以置；及 ^專料㈣36項所述之 妈6庙:第二微反應器裝置，其係如申請專利範圍第36項所述之 3|夕置，且係與第—微反應器裝置串聯，以使第二微反應 土貝路杈藉由空氣間隙與第一微反應器之基質路徑分離，前 述空氣間隙係可藉由沿著第一微反應器裝置基質路徑之電動幫 浦連結。

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