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TWI411779B - 微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統 - Google Patents

微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統 Download PDF

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TWI411779B
TWI411779B TW100117415A TW100117415A TWI411779B TW I411779 B TWI411779 B TW I411779B TW 100117415 A TW100117415 A TW 100117415A TW 100117415 A TW100117415 A TW 100117415A TW I411779 B TWI411779 B TW I411779B
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TW
Taiwan
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reaction
tank
reagent
turntable
microfluidic
Prior art date
Application number
TW100117415A
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English (en)
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TW201248148A (en
Inventor
Che Hsin Lin
Chun Wei Kang
Suh Hang Juo
Yung Chen Wu
Chun Wei Huang
Original Assignee
Univ Nat Sun Yat Sen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Univ Nat Sun Yat Sen filed Critical Univ Nat Sun Yat Sen
Priority to TW100117415A priority Critical patent/TWI411779B/zh
Publication of TW201248148A publication Critical patent/TW201248148A/zh
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Description

微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統
本發明係關於一種微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統,特別是關於一種根據離心力設計特殊微流道來平均分配流體之微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統。
目前,在醫療、生技、化學、食品及環境等領域對各種不同生物檢體存在許多生化檢測的需求,例如傳統上經常使用聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction,PCR)儀器來增加檢體的DNA等遺傳物質的總量,以便對檢體進行更精確及更多樣的生化分析與偵測。然而,受限於儀器設備、技術及試劑消耗量等問題,這些生化檢測儀器在靈敏度上仍有其偵測極限,同時也常存在偵測時間過長、操作複雜、儀器設備成本高昂、攜帶不便等技術問題,因而影響其應用的普及性。
為了解決上述問題,首要工作是將生化檢測儀器微小化,以增加其分析速度並簡化操作程序。近年來,日漸發展成熟的微機電系統(micro-electro-mechanical system,MEMS)製程技術即具有將傳統大型檢測儀器設備小型化並製作成晶片尺寸的優勢,因此MEMS技術逐漸被廣泛應用到分析化學與生物醫學領域,以製作各種生物晶片(biochip),以便達到大幅降低檢測成本、提升檢測分析速度、增加偵測靈敏度及簡化操作程序等目的。
就現有生物晶片而言,其通常具有進樣(sampling)、混合(mixing)、樣本傳輪(sample transport)、反應(reaction)、分離(separation)及偵測(detection)等功能,也就是如同將整個實驗室之儀器功能整合至單一晶片上,因此也被稱為實驗室晶片(Lab-on-a-chip),其中實驗室晶片不但可減少試劑用劑及人為操作污染,且也可達到全自動分析之目的。再者,由於實驗室晶片在分析時是藉由流體在晶片之微流道內依序流經數個不同功能的區域來完成整個生化實驗流程,因此也可稱為微流體晶片(microfluidic chip)。
舉例來說,請參照第1圖所示,美國公告第7758810號發明專利即揭示一種碟片型實驗室晶片10,其係在一碟片基板11上形成一固定孔12及數個微流道組13。該碟片基板11可被置入一光碟機內,並利用光碟機之驅動軸來穿過該固定孔12,以驅動該碟片基板11高速轉動。每一該微流道組13各包含一樣本槽131、一試劑槽132、一緩衝液槽133、數個第一閥門134、一混合槽135、數個第二閥門136及數個反應槽137。在進行實驗時,首先使該碟片基板11高速轉動,接著利用雷射光束依序開啟各第一閥門134,以使該樣本槽131、試劑槽132、緩衝液槽133內之樣本、試劑及緩衝液經各管道流入該混合槽135內相互混合。隨後,再利用雷射光束依序開啟各第二閥門136,使該混合槽135內之混合液經各分配流道道流入各反應槽137中,並利用紅外線加熱各反應槽137以進行反應。在反應完成後,再由一外部光學偵測裝置來偵測各反應槽137中的反應結果。此種碟片型實驗室晶片10也可稱為光碟實驗室(Lab-CD、Lab-on-a-CD)。
然而,在該碟片基板11上,流體是因應離心力而由靠近該固定孔12之樣本槽131、試劑槽132、緩衝液槽133沿各管道及混合槽135徑向向外流動並分配到各反應槽137。唯在流體由該混合槽135分配到各反應槽137的期間,通常流體必需填滿最接近該混合槽135之反應槽137,才能向左及向右依序填滿其他相對遠離該混合槽135之反應槽137,在流體不足以填滿所有反應槽137時,無法將有限流體平均分配給每個反應槽137,或造成近端及遠端之反應槽137具有不同流體總量,因而造成各反應槽137之間可能具有不同之反應及偵測結果,進而影響微流體實驗的一致性、準確性與再現性。
再者,在利用紅外線加熱各反應槽137進行反應的期間,各反應槽137之溫度逐漸升高,此時流體在該反應槽137內之表面張力會降低,且可能在該反應槽137內產生微小氣泡。惟,表面張力的降低或微小氣泡的產生將造成流體被推擠到該反應槽137外的分配流道道中,而造成各反應槽137具有不同流體總量,如此同樣會造成各反應槽137之間可能具有不同之反應及偵測結果,進而連帶影響微流體實驗的一致性與可靠性。
另外,該碟片型實驗室晶片10雖在同一碟片基板11上設有多個微流道組13,可同時對多個或多種檢體分別進行獨立檢測,但若只需對單一檢體做檢測時,該檢測作業仍需使用一張該碟片型實驗室晶片10,因而浪費了其它未使用之微流道組13,若欲繼續使用該碟片,則也將減少能使用的系統數量。因此,降低了該碟片型實驗室晶片10之使用效率,且相對提高了檢測的材料成本。
此外,在實際操作上,許多生物反應、萃取及檢測過程都有離心甚至高速離心的需求,而上述碟片型實驗室晶片10因受到半徑較小之限制,使其欲達到目標離心力常需要較高的轉速(例如大於10,000 rpm),但該碟片基板11本身材料又無法承受過高轉速。結果,對生物檢測而言,等於缺少一項極常用且重要的離心程序,而造成整個檢測程序不連續。
故,有必要提供一種微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統,以解決習用技術所存在的問題。
本發明之主要目的在於提供一種微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統,其係將微流體生物晶片安裝在轉盤上,並使微流體生物晶片之萃取槽相對於轉盤之轉軸先徑向向外連接主分配流道,再由主分配流道向左右兩側連接一對側分配流道,以及由各側分配流道徑向向內連接數個反應槽,由於側分配流道相較於反應槽較遠離轉盤之轉軸,因此流體可先因離心力作用流入側分配流道,接著再因離心力及連通管原理而逐漸溢流及平均分配到各反應槽中,藉此解決現有技術中流體未被平均分配至各反應槽的問題,進而相對提升微流體實驗的一致性、準確性與再現性。
本發明之次要目的在於提供一種微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統,其各反應槽內設置有數根微柱體,以便在流體於各反應槽內受熱降低表面張力時,使流體吸附在微柱體及反應槽內壁,以增加流體與反應槽內壁之總接觸面積,藉此解決現有技術中流體受熱向外溢流的問題,進而相對提升微流體實驗的一致性及可靠性。
本發明之另一目的在於提供一種微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統,其係將數個微流體生物晶片可拆換的對稱安裝在轉盤之數個晶片位置上,並可依實驗需求選擇使用一個、二個、數個或全部之微流體生物晶片來進行實驗,在完成實驗後,已實驗過之微流體生物晶片可被置換成新品,而未進行實驗之微流體生物晶片仍可保留做下一次實驗之用,藉此解決現有技術中同一碟片型實驗室晶片僅能做單次檢測的問題,進而相對提高微流體生物晶片之使用效率並降低檢測的材料成本,且使每次實驗均有最大系統數量可供使用。
本發明之再一目的在於提供一種微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統,其係利用金屬等堅固材料製成之轉盤來承載數個微流體生物晶片,且該轉盤之有效離心半徑大於或等於20公分,以利用較大的離心半徑來相對降低轉速並達到預設且足夠之高離心力值,藉此解決現有技術中受限碟片基板材料而無法提供高離心力的問題,進而確保轉盤長期執行離心作業的安全性及耐用性。
本發明之又一目的在於提供一種微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統,其係將所有反應步驟所需之微流道皆整合到同一微流體生物晶片內,並同時將所有使用之單元皆整合到同一自動化反應偵測系統中,藉此提供給樣、清洗、離心、萃取、分配、混合試劑、加熱溫控及反應結果偵測等自動化一貫作業,且實驗過程中不需人力或其他設備額外輔助,因而可相對簡化晶片及系統之架構、節省操作所需人力與時間,並提高晶片及系統之使用便利性及實用性。
本發明之又一目的在於提供一種微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統,其特別適用於將血漿或血清中之微小RNA(micro-RNA)生物樣本進行萃取、反轉錄反應(Reverse transcription)、即時偵測聚合酶連鎖反應(Real Time-PCR)與檢測分析,且僅需極微量之檢體、反轉錄與Real Time-PCR相關試劑,即可同步完成數次相同反應,藉此可相對減少取樣需求、降低檢測成本、提高檢測靈敏度,並有利於擴大其廣泛應用之普及性。
為達上述之目的,本發明提供一種微流體生物晶片,其包含:一晶片基板,安裝在一自動化反應偵測系統之一轉盤上:及一微流道組,形成在該晶片基板上,且該微流道組包含:一萃取槽,相對靠近該轉盤之一轉軸,該萃取槽用以注入一樣本或一流體;一主分配流道,由該萃取槽相對該轉盤之轉軸徑向向外延伸而成;一對側分配流道,分別由該主分配流道向兩側延伸而成;數個反應槽,分別由各該側分配流道相對該轉盤之轉軸徑向向內延伸而成;以及數個試劑暫存槽,其中每一該反應槽徑向向內連接一個該試劑暫存槽,該試劑暫存槽用以提供至少一試劑至該反應槽;其中該側分配流道相對該反應槽係較遠離該轉盤之轉軸,該樣本及流體經由該側分配流道平均分配到各該反應槽中。
在本發明之一實施例中,每一該反應槽內具有數根微柱體。
在本發明之一實施例中,注入該萃取槽之樣本為血漿或血清檢體,該萃取槽並利用一膠體萃取微小核糖核酸(micro-RNA)片段,其核苷酸數係小於或等於40。
在本發明之一實施例中,該試劑暫存槽之試劑係為進行反轉錄反應及/或即時偵測聚合酶連鎖反應(Real Time PCR)所需之試劑。
在本發明之一實施例中,每一該反應槽具有一第一排氣口。
在本發明之一實施例中,該微流道組另包含一單次關閉閥門及一廢液儲存槽,其中該主分配流道依序徑向向外連接該側分配流道、單次關閉閥門及廢液儲存槽。
在本發明之一實施例中,該廢液儲存槽具有至少一第二排氣口。
為達上述之目的,本發明另提供一種微流體生物晶片之自動化反應偵測系統,其包含:一轉盤,具有一轉軸,且在該轉軸之周圍對稱設有數個晶片位置;數個微流體生物晶片,分別可拆換的對稱安裝在該轉盤之各個晶片位置上,其中該微流體生物晶片各包含:一晶片基板,安裝在一自動化反應偵測系統之一轉盤上:及一微流道組,形成在該晶片基板上,且該微流道組包含:一萃取槽,相對靠近該轉盤之一轉軸,該萃取槽用以注入一樣本或一流體;一主分配流道,由該萃取槽相對該轉盤之轉軸徑向向外延伸而成;一對側分配流道,分別由該主分配流道向兩側延伸而成;數個反應槽,分別由各該側分配流道相對該轉盤之轉軸徑向向內延伸而成;以及數個試劑暫存槽,其中每一該反應槽徑向向內連接一個該試劑暫存槽,該試劑暫存槽用以提供至少一試劑至該反應槽;及其中該側分配流道相對該反應槽係較遠離該轉盤之轉軸,該樣本及流體經由該側分配流道平均分配到各該反應槽中;一自動點樣單元,用以將該樣本或流體注入到該萃取槽內,或將該試劑注入到該試劑暫存槽內;以及一紅外線加熱單元,用以產生紅外線光束照射該反應槽,以提高該反應槽之溫度。
在本發明之一實施例中,由該轉軸至該晶片位置之一有效離心半徑係大於或等於20公分。
在本發明之一實施例中,該側分配流道及反應槽之位置排列係呈弧狀彎曲,且該側分配流道之曲率係相同於以該有效離心半徑為基準所繪之圓形的曲率。
在本發明之一實施例中,該自動化反應偵測系統另包含:一螢光激發單元,用以產生一激發光束照射該反應槽內與該試劑反應後之樣本,以激發產生一螢光;以及一螢光偵測系統,用以偵測該螢光之訊號強度。
在本發明之一實施例中,該螢光偵測系統包含一光學濾鏡單元,用以過濾所偵測之螢光波長。
為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂,下文將特舉本發明較佳實施例,並配合所附圖式,作詳細說明如下。再者,本發明所提到的方向用語,例如「徑向」、「軸向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」或「側面」等,僅是參考附加圖式的方向。因此,使用的方向用語是用以說明及理解本發明,而非用以限制本發明。
請參照第2圖所示,本發明較佳實施例之微流體生物晶片之自動化反應偵測系統主要包含:一轉盤20、數個微流體生物晶片30、一自動點樣單元40、一紅外線加熱單元50、一螢光激發單元60及一螢光偵測系統70,上述元件之細部構造將於下文搭配第1及2圖作進一步的詳細說明。
請參照第2圖所示,本發明較佳實施例之轉盤20係依據本發明之微流體生物晶片30的規格加以對應設計的,其中該轉盤20係由金屬等堅固材料製成且具足夠厚度之盤狀物件,其形狀可為圓形、長方形、三角形、正方形或正多邊形,上述形狀較佳對應於該轉盤20欲承載之微流體生物晶片30的數量及形狀來進行設計。在本發明中,該轉盤20具有一轉軸21,用以驅動該轉盤20高速轉動,其中在該轉軸21之周圍較佳等角度且軸向對稱的設有數個晶片位置22,且由該轉軸21至該晶片位置22之一有效離心半徑R係大於或等於20公分,例如為20、25、30公分或以上。當該轉盤20之有效離心半徑R大於或等於20公分,本發明可利用較大的離心半徑來相對降低轉速,以達到預設且足夠之高離心力值,進而藉此確保該轉盤20長期執行離心作業的安全性及耐用性。
請參照第2及3圖所示,本發明較佳實施例之微流體生物晶片30係可利用適當的固定裝置(如夾具、卡槽、螺絲或黏著劑)可拆換的安裝固定在該轉盤20之各晶片位置22上,該微流體生物晶片30之形狀較佳為長方形,但並不限於此。該微流體生物晶片30各具有一晶片基板31及一微流道組32。該晶片基板31較佳係由一層、二層或多層之可透光之透明塑膠基板所製成,例如聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate),PMMA)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)或聚碳酸酯(polycarbonate,PC)等,但不限於此。該晶片基板31之內部可利用蝕刻、模製或壓印等現有技術來預製形成該微流道組32。該微流道組32包含一萃取槽321、一主分配流道322、一對側分配流道323、數個反應槽324、數個試劑暫存槽325、一單次關閉閥門326及一廢液儲存槽327。
更詳言之,該萃取槽321形成在該晶片基板31內,並位於該晶片基板31相對靠近該轉盤20之轉軸21的一側,其中該萃取槽321係一相對較寬之紡錘狀長槽,且該萃取槽321之一上游端(即相對靠近該轉軸21之一端)連通於一樣本注入口321a。該樣本注入口321a貫穿該晶片基板31,以便在不同步驟中選擇注入一樣本或一流體,其中該樣本較佳為血漿或血清檢體;該流體之種類是依該樣本之不同而進行選擇的,例如為清洗液或緩衝液(buffer)。再者,該萃取槽321之一下游端(即相對遠離該轉軸21之一端)徑向向外連接於該主分配流道322,該主分配流道322形成在該晶片基板31內,並且是一相對較窄之長槽,該主分配流道322進一步徑向向外依序連接於該二側分配流道323、單次關閉閥門326及廢液儲存槽327。在下文中,“徑向向內”皆指朝向靠近該轉盤20之轉軸21的方向,而“徑向向外”皆指朝向遠離該轉盤20之轉軸21的方向,於此合先敘明。
該二側分配流道323係形成在該晶片基板31內,並且分別是由該主分配流道322向左右兩側延伸而成的,且該側分配流道323係一相對較窄之長槽,其寬度實質相等於該主分配流道322,同時該側分配流道323及反應槽之位置排列係略呈弧狀彎曲,其中該側分配流道323之曲率(curvature)係實質相同於以該有效離心半徑R為基準所繪之圓形的曲率。再者,該數個反應槽324形成在該晶片基板31內,並且是分別由各該側分配流道323徑向向內延伸而成,也就是該數個反應槽324是朝靠近該轉軸21之方向進行延伸而成。該數個反應槽324兩側對稱的排列在該二側分配流道323相對靠近該轉軸21之一側,各反應槽324係相對較寬之橢圓形長槽,其寬度明顯大於該側分配流道323。由於該側分配流道323相較於該反應槽324係較遠離該轉盤20之轉軸21,因此在下述離心步驟中,樣本及流體將可經由該側分配流道323平均分配到各該反應槽324中。
如第3A圖所示,在本發明之一實施例中,每一該反應槽324具有一第一排氣口324a,以及進一步特別設有數根微柱體324b。該第一排氣口324a貫穿該晶片基板31,並用以在樣本、流體或試劑進入該反應槽324時立即排出原內部氣體,俾使樣本、流體或試劑順利進入該反應槽324。該微柱體324b之作用在於:在流體受熱降低表面張力時,藉由該微柱體324b增加流體與該反應槽324內壁之接觸面積,使流體吸附在該微柱體324b及反應槽324內壁,以避免流體受熱向外溢流到該側分配流道323的問題,進而相對提升微流體實驗的一致性及可靠性。
再者,每一該反應槽324徑向向內連接一個該試劑暫存槽325,該試劑暫存槽325形成在該晶片基板31內,並且相對較靠近該轉盤20之轉軸21。該試劑暫存槽325用以提供一試劑至該反應槽324,其中該試劑暫存槽325具有一試劑注入口325a貫穿該晶片基板31,以供注入相關試劑。在本發明中,當該樣本為微小RNA片段時,注入到該試劑暫存槽325之試劑較佳係分別為反轉錄反應(Reverse transcription)與即時偵測聚合酶連鎖反應之相關試劑。另外,該單次關閉閥門326形成在該晶片基板31內,並位於該主分配流道322上,且介於該主分配流道322與側分配流道323之交界點及該廢液儲存槽327之間。該單次關閉閥門326原呈開啟狀態,但可因紅外線光束或雷射光束之照射而永久性關閉,也就是只能一次性關閉,而無法再次開啟。該單次關閉閥門326可選自適當之現有閥體,例如毛細管閥、疏水性閥、機械性閥或相轉變閥等。該單次關閉閥門326進一步徑向向外連接該廢液儲存槽327,該廢液儲存槽327形成在該晶片基板31內,並且其作用是在下述清洗步驟中用以收集清洗樣本後之清洗廢液。該廢液儲存槽327內通常具有至少一第二排氣口327a,其貫穿該晶片基板31,並用以在清洗廢液進入該廢液儲存槽327時立即排出原內部氣體,俾使清洗廢液順利進入該廢液儲存槽327。
請再參照第2圖所示,本發明較佳實施例之自動點樣單元40、紅外線加熱單元50、螢光激發單元60及螢光偵測系統70係位於該轉盤20及微流體生物晶片30之上方適當位置處。該自動點樣單元40可以相對該微流體生物晶片30進行移動,以選擇將該樣本(例如血漿或血清)或流體(例如清洗液或緩衝液)注入到該萃取槽321內,或將該試劑(例如反轉錄反應與即時偵測聚合酶連鎖反應之相關試劑)注入到該試劑暫存槽325內。該紅外線加熱單元50可產生紅外線光束照射該反應槽324,以提高該反應槽324之溫度。該螢光激發單元60則是用以產生一激發光束(例如UV紫外光)照射該反應槽324內與該試劑反應後之樣本,以激發產生一螢光。藉此,即可利用該螢光偵測系統70來偵測該螢光之訊號強度,以對實驗反應結果進行檢測。
請參照第2、4A及4B圖所示,當使用本發明較佳實施例之微流體生物晶片之自動化反應偵測系統時,該自動化反應偵測系統可對一個、二個、數個或全部之微流體生物晶片30提供給樣、清洗、離心、萃取、分配、混合試劑、加熱溫控及反應結果偵測等自動化一貫作業,其中該自動化反應偵測系統係用以依序進行下述步驟:如第2及4A圖所示,在一給樣步驟中,首先將數個微流體生物晶片30固定在該轉盤20之各晶片位置22上,並利用該自動點樣單元40由該樣本注入口321a將一樣本(例如:血清)液注入到該萃取槽321內,該樣本液包含樣本分子或粒子以及適當流體(例如:已滅菌之磷酸鹽緩衝液Phosphate buffered saline,PBS)。由於該萃取槽321中預先填有適當的凝膠(gel),例如瓊脂糖(agarose)等,因此樣本液中的樣本分子或粒子會暫時附著在凝膠上。接著,利用該轉軸21驅動該轉盤20高速轉動,利用離心力使該萃取槽321內之樣本液的流體部份(即廢液)經由該主分配流道322徑向向外流到該廢液儲存槽327內存放。完成廢液收集後,即暫停轉動。
接著,在一清洗步驟中,利用該自動點樣單元40由該樣本注入口321a將一清洗液(例如:含異丙醇/乙醇isopropanol/alcohol之液體)注入到該萃取槽321內,清洗液並在該萃取槽321內停留一預定時間,以期將凝膠中的廢液帶出。
接著,在一萃取步驟中,隨後重新轉動離心,使該萃取槽321內之清洗液(此時亦成為廢液)經由該主分配流道322流到該廢液儲存槽327內存放。完成廢液收集後,使該萃取槽321之凝膠中僅萃取到只剩下樣本分子或粒子。
接著,如第2及4B圖所示,在一關閉閥門步驟中,在該轉盤20轉動(或靜止)時,利用該紅外線加熱單元50之紅外線光束或一雷射單元(未繪示)之雷射光束之照射使原本開啟的單次關閉閥門326永久性關閉。
接著,在一分配步驟中,在該轉盤20靜止時,利用該自動點樣單元40由該樣本注入口321a將一釋放液(例如:含鹽類液體)注入到該萃取槽321內,隨後利用該轉軸21驅動該轉盤20高速轉動,利用離心力使該萃取槽321之凝膠中的樣本分子或粒子被釋放液帶走,並經由該主分配流道322徑向向外及向左右兩側流到該側分配流道323內。在該釋放液填滿該側分配流道323後,該釋放液逐漸因離心力及連通管原理而徑向向內溢流及平均分配到各反應槽324內,其中當該釋放液在尚未填滿各反應槽324時,該釋放液及其攜帶的樣本分子或粒子基本上是相對靠近該側分配流道323側。
接著,在一混合試劑步驟中,在該轉盤20靜止時,利用該自動點樣單元40由該試劑注入口325a將一試劑(例如反轉錄反應與即時偵測聚合酶連鎖反應之相關試劑)注入到該試劑暫存槽325內,接著試劑再因該轉盤20轉動之離心力作用而徑向向外流入各反應槽324內。
接著,在一加熱溫控步驟中,在該轉盤20轉動時,利用該紅外線加熱單元50產生紅外線光束照射各該反應槽324,以提高該反應槽324之溫度來進行反轉錄反應與即時偵測聚合酶連鎖反應反應。若非每一微流體生物晶片30皆進行實驗,則可透過位置感應器感應該轉盤20之轉動位置,來判斷需進行實驗之微流體生物晶片30的即時位置,當需進行實驗之微流體生物晶片30的反應槽324對位到該紅外線加熱單元50時,該紅外線加熱單元50才會產生紅外線光束照射需進行實驗之反應槽324。
值得注意的是,反轉錄反應需要數個不同溫度控制步驟,以使微小RNA樣本反轉錄成互補DNA(cDNA),而對後續之PCR反應而言,通常也必需重複進行數十次的混合試劑步驟及加熱溫控步驟的循環反應,才能放大cDNA的總量。再者,每一次的加熱溫控循環又可能細分為數個不同加熱溫度時期,以依序完成變性(denaturation)、鏈合(annealing)及擴增(extension)的反應。
最後,在一反應結果偵測步驟中,在該轉盤20靜止時,利用該自動點樣單元40由該試劑注入口325a將一螢光標示試劑(例如:SYBR Green I)注入到該試劑暫存槽325內,接著螢光標示試劑再因該轉盤20轉動之離心力作用而徑向向外流入各反應槽324內,以結合在已完成RT-PCR之樣本分子或粒子(此時主要應為合成出之cDNA產物)上。在該轉盤20轉動時,利用該螢光激發單元60產生一激發光束(例如UV紫外光)照射該反應槽324內與該螢光標示試劑結合後之樣本,以激發產生一螢光。藉此,即可再利用該螢光偵測系統70來偵測該螢光之訊號強度,其中該螢光偵測系統70中必須含有一光學濾鏡單元,用以預先過濾所偵測之螢光波長。如此,即可對PCR實驗反應結果進行檢測cDNA總量,並反推得知原本微小RNA之定性或定量數據。由於一次即可藉由單個或多個微流體生物晶片30獲得多組反應結果的數據,因此將有利於大幅減實重複實驗之需求,並相對降低實驗操作上的複雜度。
如上所述,相較於第1圖之現有碟片型實驗室晶片10所存在的諸多技術問題,第2至4B圖之本發明將該微流體生物晶片30安裝在該轉盤20上,並使該微流體生物晶片30之萃取槽321相對於該轉盤20之轉軸21先徑向向外連接該主分配流道322,再由該主分配流道322向左右兩側連接一對側分配流道323,以及由各側分配流道323徑向向內連接數個反應槽324,由於該側分配流道323相較於該反應槽324較遠離該轉盤20之轉軸21,因此流體可先因離心力作用流入該側分配流道323,接著再利用離心力使管道內液體因連通管原理而逐漸溢流及平均分配到各反應槽324中,藉此解決現有技術中流體未能被平均分配至數個反應槽的問題,進而相對提升微流體實驗的一致性、準確性與再現性。
再者,在本發明中,如第3A圖所示,各反應槽324內較佳設置有數根微柱體324b,以便在流體於各反應槽324內受熱降低表面張力時,使流體吸附在該微柱體324b及反應槽324內壁,以增加流體與反應槽324內壁之總接觸面積,藉此解決現有技術中流體受熱向外溢流的問題,進而相對提升微流體實驗的一致性及可靠性。
另外,在本發明中,數個微流體生物晶片30係以可拆換的方式對稱安裝在該轉盤20之數個晶片位置22上,並可依實驗需求選擇使用一個、二個、數個或全部之微流體生物晶片30來進行實驗,在完成實驗後,已實驗過之微流體生物晶片30可被置換成新品,而未進行實驗之微流體生物晶片30仍可保留做下一次實驗之用,藉此解決現有技術中同一碟片型實驗室晶片僅能做單次檢測的問題,進而相對提高該微流體生物晶片30之使用效率並降低檢測的材料成本,且使每次實驗均有最大系統數量可供使用。
此外,在本發明中,可利用金屬等堅固材料製成之轉盤20來承載數個微流體生物晶片30,且該轉盤20之有效離心半徑大於或等於20公分,以利用較大的離心半徑R來相對降低轉速並達到預設且足夠之高離心力值,藉此解決現有技術中受限碟片基板材料而無法提供高離心力的問題,進而確保該轉盤20長期執行離心作業的安全性及耐用性。
再者,在本發明中,可以將所有反應步驟所需之微流道皆整合到同一微流體生物晶片30內,並同時將所有使用之單元皆整合到同一自動化反應偵測系統中,藉此提供給樣、清洗、離心、萃取、分配、混合試劑、加熱溫控及反應結果偵測等自動化一貫作業,且實驗過程中不需人力或其他設備額外輔助,因而可相對簡化晶片及系統之架構、節省操作所需人力與時間,並提高晶片及系統之使用便利性及實用性。
另外,在本發明中,該微流體生物晶片及其自動化反應偵測系統特別適用於將血漿或血清中之微小RNA(micro-RNA)生物樣本進行萃取、反轉錄、聚合酶連鎖反應(Real Time-PCR)實驗與檢測分析,且僅需極微量之檢體與反轉錄/聚合酶連鎖反應之相關試劑,即可同步完成數次相同反應,藉此可相對減少取樣需求、降低檢測成本、提高檢測靈敏度,並有利於擴大其廣泛應用之普及性。
雖然本發明已以較佳實施例揭露,然其並非用以限制本發明,任何熟習此項技藝之人士,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作各種更動與修飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10...碟片型實驗室晶片
11...碟片基板
12...固定孔
13...微流道組
131...樣本槽
132...試劑槽
133...緩衝液槽
134...第一閥門
135...混合槽
136...第二閥門
137...反應槽
20...轉盤
21...轉軸
22...晶片位置
30...微流體生物晶片
31...晶片基板
32...微流道組
321...萃取槽
321a...樣本注入口
322...主分配流道
323‧‧‧側分配流道
324‧‧‧反應槽
324a‧‧‧第一排氣口
324b‧‧‧微柱體
325‧‧‧試劑暫存槽
325a‧‧‧試劑注入口
326‧‧‧單次關閉閥門
327‧‧‧廢液儲存槽
327a‧‧‧第二排氣口
40‧‧‧自動點樣單元
50‧‧‧紅外線加熱單元
60‧‧‧螢光激發單元
70‧‧‧螢光偵測系統
第1圖:現有碟片型實驗室晶片之上視圖。
第2圖:本發明較佳實施例之微流體生物晶片之自動化反應偵測系統之立體示意圖。
第3圖:本發明較佳實施例之微流體生物晶片之放大上視圖。
第3A圖:本發明較佳實施例之微流體生物晶片之反應槽之局部放大圖。
第4A圖:本發明較佳實施例之微流體生物晶片排除廢液時之示意圖。
第4B圖:本發明較佳實施例之微流體生物晶片分配樣本時之示意圖。
30...微流體生物晶片
31...晶片基板
32...微流道組
321...萃取槽
321a...樣本注入口
322...主分配流道
323...側分配流道
324...反應槽
324a...第一排氣口
325...試劑暫存槽
325a...試劑注入口
326...單次關閉閥門
327...廢液儲存槽
327a...第二排氣口

Claims (13)

  1. 一種微流體生物晶片,其包含:一晶片基板,安裝在一自動化反應偵測系統之一轉盤上;及一微流道組,形成在該晶片基板上,且該微流道組包含:一萃取槽,相對靠近該轉盤之一轉軸,該萃取槽用以注入一樣本或一流體;一主分配流道,由該萃取槽相對該轉盤之轉軸徑向向外延伸而成;一對側分配流道,分別由該主分配流道向兩側延伸而成;數個反應槽,分別由各該側分配流道相對該轉盤之轉軸徑向向內延伸而成;以及數個試劑暫存槽,其中每一該反應槽徑向向內連接一個該試劑暫存槽,該試劑暫存槽用以提供至少一試劑至該反應槽;其中該側分配流道相對該反應槽係較遠離該轉盤之轉軸,該樣本及流體經由該側分配流道平均分配到各該反應槽中,該微流道組另包含一單次關閉閥門及一廢液儲存槽,其中該主分配流道依序徑向向外連接該側分配流道、單次關閉閥門及廢液儲存槽。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微流體生物晶片,其中每一該反應槽內具有數根微柱體。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微流體生物晶片,其中注入該萃取槽之樣本為血漿或血清。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之微流體生物晶片,其中該萃取槽利用一膠體萃取微小核糖核酸片段。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之微流體生物晶片,其中該微小核糖核酸片段之核苷酸數係小於或等於40。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之微流體生物晶片,其中該試劑暫存槽之試劑係為進行反轉錄反應或聚合酶連鎖反應所需之試劑。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之微流體生物晶片,其中每一該反應槽具有一第一排氣口。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之微流體生物晶片,其中該廢液儲存槽具有至少一第二排氣口。
  9. 一種微流體生物晶片之自動化反應偵測系統,其包含:一轉盤,具有一轉軸,且在該轉軸之周圍對稱設有數個晶片位置;數個微流體生物晶片,分別可拆換的對稱安裝在該轉盤之各個晶片位置上,其中該微流體生物晶片各包含:一晶片基板,安裝在一自動化反應偵測系統之一轉盤上:及一微流道組,形成在該晶片基板上,且該微流道組包含: 一萃取槽,相對靠近該轉盤之一轉軸,該萃取槽用以注入一樣本或一流體;一主分配流道,由該萃取槽相對該轉盤之轉軸徑向向外延伸而成;一對側分配流道,分別由該主分配流道向兩側延伸而成;數個反應槽,分別由各該側分配流道相對該轉盤之轉軸徑向向內延伸而成;以及數個試劑暫存槽,其中每一該反應槽徑向向內連接一個該試劑暫存槽,該試劑暫存槽用以提供至少一試劑至該反應槽;及其中該側分配流道相對該反應槽係較遠離該轉盤之轉軸,該樣本及流體經由該側分配流道平均分配到各該反應槽中;一自動點樣單元,用以將該樣本或流體注入到該萃取槽內,或將該試劑注入到該試劑暫存槽內;以及一紅外線加熱單元,用以產生紅外線光束照射該反應槽,以提高該反應槽之溫度,其中該微流道組另包含一單次關閉閥門及一廢液儲存槽,其中該主分配流道依序徑向向外連接該側分配流道、單次關閉閥門及廢液儲存槽。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之微流體生物晶片之自動化反應偵測系統,其中由該轉軸至該晶片位置之一有效離心半徑係大於或等於20公分。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之微流體生物晶片之自動化反應偵測系統,其中該側分配流道及反應槽之位置排列係呈弧狀彎曲,且該側分配流道之曲率係相同於以該有效離心半徑為基準所繪之圓形的曲率。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之微流體生物晶片之自動化反應偵測系統,其中該自動化反應偵測系統另包含:一螢光激發單元,用以產生一激發光束照射該反應槽內與該試劑反應後之樣本,以激發產生一螢光;以及一螢光偵測系統,用以偵測該螢光之訊號強度。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之微流體生物晶片之自動化反應偵測系統,其中該螢光偵測系統包含一光學濾鏡單元,用以過濾所偵測之螢光波長。
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