TWI481446B - 數位微流體操控裝置及操控方法 - Google Patents

Description

數位微流體操控裝置及操控方法

本發明係屬於微流體技術之範疇。特別是有關於一種可同步操控多顆液滴的數位微流體操控裝置及數位微流體操控方法。

流體的操控是微流體生醫晶片中不可或缺的關鍵技術，主要分為連續式流體與非連續式流體(液滴形式)操控。與連續式流體相比，非連續式流體的操控性較佳。且非連續式流體需要的樣品流體體積較小，在樣品處理上需要的成本較少，處理時間短。近幾年，以液滴為主的非連續式流體技術的發展突飛猛進，應用面逐漸擴展到各個領域，尤其是生化醫學領域。對於生化醫學的檢測而言，一種高效率、高通量、低污染和低成本的流體操控技術，適合用於基因定序、蛋白質檢測、環境污染因子監控、新藥開發、藥物釋放等目的。因此，世界上現階段液滴操控技術的發展，以研發一種操控性佳、生物相容性高且樣品流體不受影響的技術與裝置最受到重視。

開放式的微液滴系統(數位微流體)受到表面張力的影響甚鉅，微液滴主要驅動力來源是微液滴在表面上的自由能梯度。當微液滴左半部表面和右半部表面具有自由能的差異時，微液滴可以在克服能障之後移動。而該自由能差異可藉由微液滴操控系統的表面結構的設計來達成。該表面結構的設計，與其傳輸效率的提升，是驅動微液滴運動的 重要課題。

目前發展的微小元件中，微液滴在單一結構密度的表面上，絕大部份只能呈現特定的潤濕行為。目前已有不少研究探討改變表面的結構密度對微液滴的疏水能力的影響。許多學者及研究團隊提出各種改變表面的結構密度，進而改變液滴表面張力梯度以操控液滴的方法技術。常見的液滴驅動方法包括熱能、電能、光能驅動及表面密度梯度。例如透過電質材料上的電濕潤效應(electro-wetting-on-dielectric，EWOD)來驅動微流體。

然而，上述使用熱能、電能、光能的驅動技術，需要透過昂貴的設備達到精確的控制，以實現液滴的操控。另一個嚴重的缺陷是液滴內部物質可能因外加的能量而產生變質或其他的副作用。例如：因熱能而加速液滴蒸發，或因電場而造成蛋白質、DNA吸附於結構表面而無法操控液滴。上述缺陷除了影響檢測的結果之外，也限制了這些技術應用的幅度。

另一種已知的液滴操控方法，是藉由經過化學或生物改質，也就是奈米自組裝技術(self-assembled monolayer，SAM)處理過後的表面來操控液滴。此種操控方法的缺點在於操控性不佳。液滴往往都是魚貫地沿既定的設計路線前進，無法進行二維操控。

又另一種已知的液滴操控方法，是結合機械力和具有奈微米複合結構的表面的微液滴操控裝置，其主要是由一具有奈微米複合結構的彈性基板及一操控元件構成。該操控元件透過一機械力拉伸該彈性基板，以改變元件上之奈微 米複合結構密度，來操控液滴。該方法的優點是具生物相容性。然而，該方法同樣需要經昂貴的裝置來達成液滴的操控。此外，液滴只能在該具有紋理的結構上朝單一的方向運動，無法同時進行不同方向的移動。進一步而言，由於提供拉伸力的外部控制元件不易和其他元件整合，該拉伸彈性表面也不容易和其他裝置整合。

Ting-Hsuan Chen等提出一種微液滴操控裝置，參考A wettability switchable surface by microscale surface morphology change,J.Micromechanics and Microengineering,17(2007),489-495，主要是透過靜電力改變奈微米結構表面密度，達到操控液滴的效果。然而，該裝置需要一額外的接地電極來防止液滴中的生化成分受到電場影響。

鑑於上述現有技術的缺點，本發明提出一種微液滴操控裝置，其可以同時且精確地操作多個液滴以達到高通量。進一步而言，本發明是利用一種抽吸力來操縱液滴，因此可避免驅動能量(例如光能、電能、熱能)對液滴的影響。其結構易於整合，具有生物相容性，可以使多個液滴同時進行多種路徑和方向的傳輸，可達到應用於高通量且快速的生化檢測。

本發明提出一種以抽吸力(suction-type)調整表面結構密度以創造親疏水梯度，進而使液滴滾動的液滴操控平台。其具有高生物相容性，可使多顆液滴同時進行多種路徑和方向的傳輸，可達到高通量以及即時控制。本發明尤其適合操控易受外在環境影響的檢體。本發明可以應用於生醫 檢測。

本發明的第一構想提出一種新穎的數位微流體操控裝置，包括：一具有疏水性表面的彈性薄膜、複數個氣室以及複數個氣體傳輸管道。該等氣室組成一氣室陣列且置於該彈性薄膜下方；該等複數個氣體傳輸管道之每一者各別連接到一對應的氣室。當一抽吸力藉由該氣體傳輸管道傳輸到一對應的氣室時，該氣室上方的彈性薄膜變形，以改變PDMS薄膜的表面形態和液/固介面的接觸角，藉此驅動液滴。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，更包括複數個抽吸口，每一氣體傳輸管道連接到對應的一抽吸口，以使該抽吸力沿著該氣體傳輸管道抽吸該氣室內的氣體。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，其中該等氣室及該等氣體傳輸管道為可撓性或剛性的不透氣材料。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，其中該等氣室的形狀可為方形、圓形或任意多邊形，該等氣室的面積為10平方微米至100平方釐米，該氣室陣列的大小為2 x 2、100 x 100或任意個數組合。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，其中該等氣室及該等氣體傳輸管道之深度為1微米至1000微米。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，其中該氣體傳輸管道的線寬與線距為1微米至1000微米。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，其中該彈性薄膜為經過表面改質的聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)薄膜。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，其中該彈性薄膜的該疏水性表面由奈米結構、微米結構或奈微米複合結構組成。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，該等疏水性表面的結構可為圓球形、碗狀型、圓柱狀、六面體、四面體或是多面體之任一種。

本發明的第二構想提出一種新穎的數位微流體操控裝置，包括：一具有疏水性表面結構的彈性薄膜以及複數個氣壓操控單元。該等氣壓操控單元組成一陣列並支撐該疏水性表面，每一氣壓操控元件可被操控而具有一特定氣壓值，以使不同區域的疏水性表面產生親疏水梯度之差異。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，其中該等氣壓操控元件可藉由一抽吸力或一加壓力操控。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，其中該氣壓操控單元是形成在一彈性基板上。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，較佳地，該彈性基板是PDMS材質。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，其中該彈性薄膜之疏水性表面結構為奈微米複合結構。

基於上述構想的數位微流體操控裝置，其中該彈性薄膜之材料是選自聚二甲基矽氧烷、食品級矽膠、橡膠、或其他具彈性之高分子聚合物之任一種。

本發明的第三構想提出一種新穎的數位微流體操控方法，包括：將複數個定量的液滴放置於一具有疏水性表面結構的彈性薄膜；以及利用一抽吸力調整疏水性表面結構 的不同區域的結構密度，以使不同區域的疏水性表面結構產生親疏水梯度之差異，以操控該等液滴進行移動。

基於上述構想的數位微流體操控方法，更包括藉由一表面改質使該彈性薄膜具由奈微米結構組成的疏水性表面結構。

基於上述構想的數位微流體操控方法，其中每一液滴之體積為1微升至15微升。

基於上述構想的數位微流體操控方法，其中該等液滴內含生化分子，且該等液滴之操控不會影響該等液滴的生物化學性質。

本發明與康寧公司所發展之產品作為比較，就密度而言，本專利所操作之液珠可達0.5mm，而康寧的1536孔盤約為1.28mm(1536 well microplate：http：//www.zenonbio.hu/catalogues/corning/MicroplatesSelectionGuide.pdf))；且孔盤操作體積約為約0.5-6μL per sample，幾乎為液珠體積的千倍。因此於相同面積中，本發明的裝置可進行更多檢測，且更節省樣品和試劑消耗。

本發明就文獻上記載的液珠操控系統，速率快1000倍，並只需使用傳統方式的10,000,000分之1的檢體量，因此可以達成快速的藥物篩選結果。

本發明相較於孔盤式的液滴操控系統比較，更容易進行平行操作。且孔盤式的液滴操控系統需要藉由機器掃描方式操作，本發明不需要，因此本發明的操控可更快速。

本發明的操控裝置的相容性高。超微小孔盤對於液體操作方式精度之要求很高，需要搭配較為特殊之機台使用(例 如超音波液體傳遞http：//www.labcyte.com/)。而本發明並不需要特殊的機台，因此具有成本上的優勢。

本發明具有成本上的優勢。目前1536孔盤售價昂貴。以康寧公司的產品為例，一盒50個孔盤售價超過2075美元(Corning® 1536 Well Black with Clear Flat Bottom Polystyrene TC-Treated Microplate,with Lid,Sterile(Product #3893)。而本專利所提出之晶片系統的製程簡單且成本低廉。

雖然本發明將參閱含有本發明較佳實施例之所附圖式予以充分描述，但在此描述之前應瞭解熟悉本行技藝之人士可修改本文中所描述之發明，同時獲致本發明之功效。因此，須瞭解以下之描述對熟悉本行技藝之人士而言為一廣泛之揭示，且其內容不在於限制本發明。

請參考第一圖及第二圖，為依據本發明具體實施例之數位微流體操控裝置之分解圖及示意圖。所揭露的新穎的數位微流體操控裝置包括：一彈性薄膜100及一氣體傳輸元件200，該氣體傳輸元件200具有複數個氣室202、複數個氣體傳輸管道203及複數個抽吸口，該等氣室202、氣體傳輸管道203和抽吸口204形成在一彈性基板201上。該等氣室組成一2列(rows)與6行(columns)(2 x 6)的二維陣列，如第三圖(A)及(B)所示。視需要，氣室的數量可以增加或減少，也可以組成其他組合的陣列，例如2 x 2陣列、100 x 100陣列或其他任意數的組合。

請參考第二圖，該彈性薄膜100是覆蓋在該彈性基板201上，該等氣室202的陣列支撐該彈性薄膜100的疏水性表面101，每一氣室對應到一特定的疏水性表面101的區域。

該彈性基板201可採用為可撓性或剛性的不透氣材料，較佳地可採用聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)材料。第三圖(A)及第三圖(B)是依據本發明具體實施例之氣體傳輸元件之局部放大圖及俯視圖。如第三圖(B)的俯視圖所示，每一氣體傳輸管道203的一端連接到一對應的氣室202，另一端連接到一對應的抽吸口204。由一外接的幫浦(圖未顯示)提供的抽吸力或加壓力，可透過該抽吸口204、該氣體傳輸管道203傳送到該氣室202，以改變氣室204內的壓力。當彈性薄膜100由該氣室204支撐的區域的疏水性表面101的氣壓小於彈性薄膜100的另一面的疏水性表面101的氣壓時，該區域的疏水性表面101朝向該氣室202凹下，而改變該區域的疏水性表面結構的形態。

該等氣室的形狀可為方形、圓形或任意多邊形，其面積為10平方微米至100平方釐米。該等氣室及該等氣體傳輸管道之深度為1微米至1000微米。該氣體傳輸管道的線寬(指基板上最細線路的寬度)與線距(指基板上兩條相鄰最近線路之間的距離)為1微米至1000微米。

該彈性薄膜100是經過表面改質的聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane，下稱PDMS)薄膜。PDMS是一種高分子有機矽化合物，具有光學透明，且在一般情況下，被認為是惰性，無毒，不易燃。可運用在生物微機電中的微流道系統、隱形眼鏡。因為PDMS具有低的楊氏模量 (Young’s modulus)，導致具有高的結構高彈性(structural flexibility)。

第四圖(A)，顯示該彈性薄膜100的疏水性表面101的局部放大圖。該疏水性表面101具有複數個圓柱狀的奈微米複合結構102。然而，該等奈微米複合結構102也可以是圓球形、碗狀型、圓柱狀、六面體、四面體或是多面體之任一種。該等奈微米複合結構102可以透過對PDMS材質薄膜進行表面改質。在改質過後的PDMS薄膜表面上，液滴底部與粗糙表面的固/液介面比會縮減，進而可以調控液滴與表面的接觸角。第四圖(B)顯示液滴在疏水性表面101的狀態，利用接觸角量測儀量測液滴300和疏水性表面101的接觸角θ_R可達153度，該表面為超疏水狀態。

利用本發明之數位微流體操控裝置以操縱液滴的方法，請參考第五圖。如第五圖(A)所示，利用微量分注器(pipet)將複數個定量的液滴300放置於一具有奈微米複合結構102的彈性薄膜100的疏水性表面101上。如第五圖(B)所示，由外接的真空幫浦所提供的抽吸力沿著氣體傳輸管道203傳送到複數個氣室202a-202c中的其中一氣室202c，使得彈性薄膜100位於氣室202c上方的區域朝氣室202c下陷變形，造成氣室202c上方的疏水性表面結構的密度改變(如第五圖(B)箭頭所示方向)。此時，氣室202c上方的疏水性表面結構的密度高於其他氣室上方的疏水性表面結構的密度，且液滴300與氣室202c上方的疏水性表面結構的接觸角θc小於θ_R。此時，如第五圖(C)所示，液滴300開始滾動到表面結構密度較高的區域，也就是氣室202c上方的疏水 性表面101的區域。本方法藉由抽吸不同氣室202a~202e的空氣，調整疏水性表面結構的不同的區域的疏水性表面結構密度，使不同區域的疏水性表面結構產生親疏水梯度之差異，可操控液滴300到達特定的區域。

本發明進一步透過實驗，證實本發明的微流體操控裝置在液滴操作時不影響液滴內部之生物檢體。第六圖顯示利用標定有螢光之抗體測試本發明之數位微流體操控裝置之生物相容性及表面殘留測試之實驗結果。本實驗是利用標定有螢光之抗體(ALX-211-650TM,ENZO LIFE SCIENCES，Inc.USA)測試本發明的生物相容性。首先將含有濃度0.1mg/ml螢光抗體的液滴放置在本發明裝置的疏水性表面上，利用螢光顯微鏡觀察其螢光強度為1250 a.u.，如第六圖(A)所示。第二步，在本發明裝置的疏水性表面上，操控該液滴左右移動10分鐘後，觀察液滴的螢光強度改變為1298 a.u.，如第六圖(B)所示。由實驗結果可發現，液滴內部的螢光抗體濃度幾乎沒有變化。第三步，利用200μL的洗滌液(phosphate buffered saline，PBS)沖洗本發明裝置的表面2次，再利用螢光顯微鏡觀察到，本發明裝置表面的螢光強度為114 a.u.，而本發明裝置表面的背景值為95 a.u.，操作後的裝置表面的螢光強度與背景值接近，如第六圖(C)所示。由此結果可知，本發明裝置的表面幾乎無檢體殘留，操作時不會有汙染情形發生，極適合應用於生物檢體操作。

表一為本發明的液滴操控裝置及方法與傳統之液低操控方法的比較：

至此，本發明之數位微流體操控裝置及操控方法的較佳實施例，已經由上述說明以及圖式加以說明。在本說明書中所揭露的所有特徵都可能與其他方法結合，本說明書中所揭露的每一個特徵都可能選擇性的以相同、相等或相似目的特徵所取代，因此，除了特別顯著的特徵之外，所有的本說明書所揭露的特徵僅是相等或相似特徵中的一個例子。經過本發明較佳實施例之描述後，熟悉此一技術領域人員應可瞭解到，本發明實為一新穎、進步且具產業實用性之發明，深具發展價值。本發明得由熟悉技藝之人任施匠思而為諸般修飾，然不脫如附申請範圍所欲保護者。

100‧‧‧彈性薄膜

101‧‧‧疏水性表面

102‧‧‧奈微米複合結構

200‧‧‧氣體傳輸元件

201‧‧‧彈性基板

202‧‧‧氣室

202a-202e‧‧‧氣室

203‧‧‧氣體傳輸管道

204‧‧‧抽吸口

300‧‧‧液滴

第一圖為依據本發明具體實施例之數位微流體操控裝置之分解圖。

第二圖為依據本發明具體實施例之數位微流體操控裝置之示意圖。

第三圖(A)為依據本發明具體實施例之氣體傳輸元件之局部放大圖。

第三圖(B)為依據本發明具體實施例之氣體傳輸元件之俯視圖。

第四圖(A)為依據本發明具體實施例之疏水性表面結構的局部放大圖。

第四圖(B)顯示液滴在本發明具體實施例之疏水性表面的狀態。

第五圖為依據本發明具體實施例之數位微流體操控方法之示意圖。

第六圖顯示利用標定有螢光之抗體測試本發明之數位微流體操控裝置之生物相容性及表面殘留測試之實驗結果。

100‧‧‧彈性薄膜

101‧‧‧疏水性表面

102‧‧‧奈微米複合結構

200‧‧‧氣體傳輸元件

201‧‧‧彈性基板

202‧‧‧氣室

203‧‧‧氣體傳輸管道

204‧‧‧抽吸口

Claims (21)

1. 一種數位微流體操控裝置，包括：一具有疏水性表面的彈性薄膜；複數個氣室，該等氣室組成一氣室陣列且置於該彈性薄膜下方；以及複數個氣體傳輸管道，每一氣體傳輸管道各別連接到一對應的氣室，當一抽吸力藉由該氣體傳輸管道傳輸到一對應的氣室時，該氣室上方的彈性薄膜變形使該疏水性表面之形態改變；一氣體傳輸元件，具有該等氣室及該等氣體傳輸管道，且該氣體傳輸元件置於該彈性薄膜下方。
2. 如申請專利範圍第1項所述之數位微流體操控裝置，更包括複數個抽吸口，每一氣體傳輸管道連接到對應的一抽吸口，以藉由該氣體傳輸管道抽吸該氣室內的氣體。
3. 如申請專利範圍第1項所述之數位微流體操控裝置，其中該等氣室及該等氣體傳輸管道為可撓性或剛性的不透氣材料。
4. 如申請專利範圍第1項所述之數位微流體操控裝置，其中該等氣室及該等氣體傳輸管道為聚二甲基矽氧烷材質。
5. 如申請專利範圍第1項所述之數位微流體操控裝置，其中該氣室陣列的大小可以視要改變的疏水性表面之面積決定。
6. 如申請專利範圍第1項所述之數位微流體操控裝置，其中該等氣室的形狀可為方形、圓形或任意多邊形，該等氣室的面積為10平方微米至100平方釐米。
7. 如申請專利範圍第1項所述之數位微流體操控裝置， 其中該等氣室及該等氣體傳輸管道之深度為1微米至1000微米。
8. 如申請專利範圍第1項所述之數位微流體操控裝置，其中該氣體傳輸管道的線寬與線距為1微米至1000微米。
9. 如申請專利範圍第1項所述之數位微流體操控裝置，其中該彈性薄膜為經過表面改質的聚二甲基矽氧烷薄膜。
10. 如申請專利範圍第9項所述之數位微流體操控裝置，其中該彈性薄膜的該疏水性表面由奈米結構、微米結構或奈微米複合結構組成。
11. 如申請專利範圍第10項所述之數位微流體操控裝置，該等結構可為圓球形、碗狀型、圓柱狀、六面體、四面體或是多面體之任一種。
12. 一種數位微流體操控裝置，包括：一具有疏水性表面結構的彈性薄膜；以及複數個氣壓操控單元，其組成一陣列並支撐該疏水性表面，每一氣壓操控元件可被操控而具有一特定氣壓值，以使不同區域的疏水性表面產生親疏水梯度之差異；一氣體傳輸元件，具有該等氣室及該等氣體傳輸管道，且該氣體傳輸元件置於該彈性薄膜下方。
13. 如申請專利範圍第12項所述之數位微流體操控裝置，其中該等氣壓操控元件可藉由一抽吸力或一加壓力操控。
14. 如申請專利範圍第12項所述之數位微流體操控裝置，其中該氣壓操控單元是形成在一彈性基板上。
15. 如申請專利範圍第14項所述之數位微流體操控裝置，該彈性基板是PDMS材質。
16. 如申請專利範圍第12項所述之數位微流體操控裝置，其中該彈性薄膜之疏水性表面結構為奈微米複合結構。
17. 如申請專利範圍第12項所述之數位微流體操控裝置，其中該彈性薄膜之材料是選自聚二甲基矽氧烷、食品級矽膠、橡膠、或其他具彈性之高分子聚合物之任一種。
18. 一種數位微流體之操控方法，其包括：將複數個定量的液滴放置於一具有疏水性表面結構的彈性薄膜；以及利用一抽吸力調整疏水性表面結構的不同區域的結構密度，以使不同區域的疏水性表面結構產生親疏水梯度之差異，以操控該等液滴進行移動。
19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，更包括藉由一表面改質使該彈性薄膜具由奈微米結構組成的疏水性表面結構。
20. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該等液滴內含生化分子，且該等液滴之操控不會影響該等液滴的生物化學性質。
21. 如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該等液滴內含的生化分子不會殘留於彈性薄膜的表面。