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TWI798869B - 微流道感測晶片及其量測系統 - Google Patents

微流道感測晶片及其量測系統 Download PDF

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TWI798869B
TWI798869B TW110138264A TW110138264A TWI798869B TW I798869 B TWI798869 B TW I798869B TW 110138264 A TW110138264 A TW 110138264A TW 110138264 A TW110138264 A TW 110138264A TW I798869 B TWI798869 B TW I798869B
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黎宇泰
林家任
林瑋佑
林高祺
謝卓帆
吳登峻
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財團法人工業技術研究院
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Abstract

一種微流道感測晶片包含一本體、至少一微流道以及一超材料層。本體包含基板及上蓋，上蓋具有至少一通口。至少一微流道形成在基板上且具有承載表面，其中至少一微流道連通至少一通口。超材料層係塗覆於承載表面上，其中超材料層具有多個區域，且每一該些區域具有對應的共振圖案。

Description

微流道感測晶片及其量測系統
本發明係關於一種微流道感測晶片及其量測系統。
在目前的生物檢測技術中，通常是使用酵素免疫吸附測定法（Enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）或表面電漿子共振法（surface plasmon resonance，SPR）。然而，這兩者需對微量的待測物進行目標標定及訊號放大，方能取得有效的偵測數值，導致檢測的時間增加。此外，因這兩者在待測物製備時需消耗化學藥品（如染劑）或配位基（ligand），故檢測的成本也居高不下。儘管目前存在以兆赫（terahertz）波進行生物檢測的技術，然在不知道待測物為何的情況下，研究人員僅能以一次以一個頻率方式對待測物進行檢測，亦無法有效降低檢測時間及人力成本。
鑒於上述，本發明提供一種以滿足上述需求的微流道感測晶片及其量測系統。
依據本發明一實施例的一種微流道感測晶片，包含：一本體，包含一基板及一上蓋，該上蓋具有至少一通口；至少一微流道，形成在該基板上且具有一承載表面，其中該至少一微流道連通該至少一通口；以及一超材料層，塗覆於該承載表面上，其中該超材料層具有多個區域，且每一該些區域具有對應的一共振圖案。
依據本發明一實施例的一種微流道感測晶片量測系統，包含：一承載板；多個微流道感測晶片，設置於該承載板上，其中每一該微流道感測晶片包含：一本體，包含一基板及一上蓋，該上蓋包含至少一通口，用於輸入一待測物；至少一微流道，形成在該基板上且具有一承載表面，其中該至少一微流道連通該至少一通口以裝載該待測物；以及一超材料層，塗覆於該承載表面上，其中該超材料層包含多個區域，且每一該些區域具有對應的一共振圖案；一發射器，用於向該些微流道感測晶片的至少一發射對應該共振圖案的一兆赫波；一接收器，用於從該至少一微流道感測晶片接收對應該兆赫波的一反射波；以及一處理器，訊號可傳輸地連接於該接收器，該處理器從該接收器取得該反射波，並依據該反射波判斷對應的一代測物特徵。
綜上所述，依據本發明一或多個實施例所示的微流道感測晶片及其量測系統，可以有效地放大訊號，以取得準確、可用的偵測數值。並且，透過本發明的微流道感測晶片及其量測系統，可以連續地對不同的微流道感測晶片及各微流道感測晶片內不同的共振圖案進行量測，進而降低檢測時間及人力成本。
以上之關於本揭露內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本發明之觀點，但非以任何觀點限制本發明之範疇。
請參考圖1A、1B及1C，圖1A及1B係依據本發明一實施例所繪示的微流道感測晶片的示意圖，其中圖1B係繪示圖1A的爆炸圖；圖1C係繪示圖1A的上蓋111沿圖1A的線A-B的剖面圖。本發明的微流道感測晶片1可以包含一本體11、至少一微流道12以及一超材料層13。
本體11包含一上蓋111及一基板112，基板112可例如為塑膠或玻璃基板。此外，上蓋111及基板112可以皆是由聚二甲基矽氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）的材料或是其他兆赫波可穿透的材料製成。上蓋111具有至少一通口，而圖1A中示出了第一通口IN。第一通口IN連通於微流道感測晶片1的微流道12，以供液體（例如，液態待測物）注入微流道12。此外，上蓋111較佳更具有一第二通口OUT，用於排出微流道12中的液體（例如所述液態待測物）。上蓋111覆蓋於基板112上，且上蓋111與基板112之間有一空間，該空間即為微流道12。
微流道12係形成在基板112上且具有一承載表面S1，超材料層13即係塗覆於承載表面S1上。超材料層13較佳是位於基板112的中心，且超材料層13具有多個區域，且每一該些區域具有對應的一共振圖案（如圖2A所示的超材料層13及2B所示的超材料層13’），以對不同頻率的入射波（例如，兆赫波）產生共振。並且，透過兆赫波及超材料的技術，可以有效地放大訊號，以取得準確、可用的偵測數據。以下將先對微流道感測晶片1的結構進行說明，超材料層13的具體結構將於下文中參考圖2A及2B說明。
請繼續參考圖1A及1C，其中圖1C係繪示上蓋111沿圖1A的A-B線的截面圖。上蓋111具有朝基板112方向凹陷的一第一凹陷部111a，且第一凹陷部111a在基板112上的投影涵蓋超材料層13的該些區域在基板112的投影。換言之，第一凹陷部111a在基板112上的投影面積較佳不小於超材料層13的該些區域的面積，且兩者至少部份重疊。透過在基板112上形成第一凹陷部111a，可以降低兆赫波在微流道感測晶片1內部傳播時被吸收的比例，進而維持住入射的兆赫波的強度。
此外，上蓋111相對於第一凹陷部111a的一側可以形成有一第二凹陷部111b，第二凹陷部111b係朝第一凹陷部111a的方向凹陷，且第二凹陷部111b較佳正對第一凹陷部111a。此外，第二凹陷部111b即為構成微流道12的一部分。換言之，前述上蓋111與基板112之間的空間的一部分即包含第二凹陷部111b。舉例而言，上蓋111的厚度a可例如為2 mm；第一凹陷部111a與第二凹陷部111b之間的距離b可例如為0.5 mm；而第二凹陷部111b的深度d可例如為10
Figure 02_image001
。
請參考圖2A到2C，圖2A到2C係依據本發明多個實施例所繪示的超材料層的示意圖。具體地，圖2A到2C示出了實現圖1A的超材料層13上的共振圖案的不同實施方式。
需先說明的是，圖2A到2C示出的各種共振圖案僅為示例，共振圖案的具體圖案可以根據所需的共振頻率/振幅而被設計為不同樣態，本發明不對共振圖案的具體圖案予以限制。此外，該些共振圖案可以是透過陰極蝕刻法、金屬蒸鍍法及離子束蝕刻法的至少一者形成在超材料層13上，本發明不對在超材料層13上形成共振圖案的具體方式予以限制。
請先參考圖2A，超材料層13包含第一區域131、第二區域132、第三區域133及第四區域134，且第一區域131到第四區域134的每一者可以是邊長為5mm的正方形。如圖2A所示，第一區域131到第四區域134的每一者可以有不同的共振圖案P1到P4，且共振圖案P1到P4的每一者較佳為一週期性圖案，但本發明不以此為限，亦可設置不規律的圖案。換言之，第一區域131到第四區域134的每一者內皆有多個微結構，且同一區域內的該些微結構係重複且有規律地形成在超材料層13上，而每個區域內的該些微結構即可形成該區域內的共振圖案。
共振圖案P1到P4可以彼此相異，以對應到不同的共振頻率。此外，該些共振頻率較佳是呈等級距分佈，且該些共振頻率中最高者為反射波的接收器可量測的最高頻率。舉例而言，當所述最高頻率為1太赫茲（THz）時，則共振圖案P1到P4的共振頻率可以分別為0.4 THz、0.6 THz、0.8 THz及1 THz。另外，共振圖案P1到P4的共振頻率也可以是以等級距的方式分佈在0.1 THz到3THz的範圍內，本發明不對由共振圖案P1到P4的構成的共振頻率範圍予以限制。
因此，當將待測物被載入微流道感測晶片1，以透過微流道感測晶片1及兆赫波的方式量測待測物的物理性質（例如，折射係數或介電系數的差異等）時，即可同時取得四筆資料（因為設置了具有不同圖案的第一區域131到第四區域134），有效地降低檢測時間及人力成本。並且，透過將共振圖案P1到P4的共振頻率設為在接收器可量測的最高頻率內呈等級距分佈，可以更有效率地取得待測物在所述最高頻率的範圍內的總體物理性質。據此，使用者便可根據此四筆資料判得代測物特徵（例如，折射係數及/或介電係數），以根據預先建立好的折射係數及/或介電係數與物品名稱的表格，透過例如查表的方式判斷待測物為何。
請接著參考圖2B，相似於圖2A，圖2B的超材料層13’包含第一區域131’、第二區域132’、第三區域133’及第四區域134’，不同處在於，圖2B的超材料層13’的第一區域131’到第四區域134’的每一者可以是等腰三角形。第一區域131’到第四區域134’的共振圖案以及P1’到P4’的共振頻率亦可以是呈等級距分佈，且該些共振頻率中最高者可以為反射波的接收器可量測的最高頻率。
另外，在未繪示的實施例中，超材料層13/13’上可以劃分八個具有不同共振圖案的區域（例如米字型分割）或九個具有不同共振圖案的區域（例如九宮格分割），且該些區域可以是矩形、三角形等，本發明不對超材料層13/13’上的共振圖案的數量、形狀及頻率予以限制。透過將超材料層13/13’區分為八個或九個具有不同圖案的區域，可以只要製備一代測物，就能夠取得更多筆的資料。
請繼續參考圖2C，圖2C示出了圖2A的共振圖案P1的微結構P21及P22的示例圖，其中所述微結構P21及P22為十字形狀。圖2C示例性地示出兩個微結構P21及P22，但微結構的實際數量可以根據需求更動。圖2C的微結構P21及P22較佳係形成為週期性圖案的共振圖案P1的週期性結構，此週期性結構的高度a、寬度b以及週期間距c可以根據所需的共振頻率而調整。舉例而言，當所需的共振頻率微0.29 THz時，則高度d、寬度e以及週期間距f可以分別為64
Figure 02_image001
、352
Figure 02_image001
及480
Figure 02_image001
，本發明不對共振圖案P5的共振頻率予以限制。此外，形成週期性圖案的微結構的形狀亦可以是口字型、C字形、回字形、蝴蝶結型等，本發明不以此為限。
請接著參考圖3，圖3係依據本發明另一實施例所繪示的微流道感測晶片的示意圖。圖3的微流道感測晶片1’相似於圖1A及1B的微流道感測晶片1，故相同之處不再於此贅述。圖3的微流道感測晶片1’與圖1A及1B的微流道感測晶片1之間的不同處在於，圖3的微流道感測晶片1’更包含一微波貼片14，微波貼片14貼附於上蓋111的上表面。微流道感測晶片1’的超材料層13的共振頻率範圍同樣可以是以等級距的方式分佈在0.1 THz到3 THz，而微波貼片14的頻率例如是1G，然本發明不對微波貼片14的頻率予以限制。透過在微流道感測晶片1’上設置微波貼片14，可以擴大微流道感測晶片1’整體的共振頻率範圍。
請參考圖4A到4C，圖4A到4C係依據本發明一實施例所繪示的微流道感測晶片量測系統的示意圖。圖4A到4C所示的微流道感測晶片量測系統包含多個微流道感測晶片101到108、一承載板21、一發射器22、一接收器23以及一處理器24，其中處理器24訊號可傳輸地連接於發射器22及接收器23，以控制發射器22發出兆赫波，並透過接收器23接收來自微流道感測晶片101到108的反射波。發射器22的發射頻率可例如為0.1 THz到10 THz，本發明不對發射器22發射頻率予以限制。
圖4A到4C係以圖2A的超材料層13為例子，設置在承載板21上的微流道晶片的超材料層亦可以是圖2B的超材料層13’，或是其他不同圖案的超材料層，本發明不對設置在承載板21上的微流道晶片及其超材料層予以限制。據此，即可透過微流道感測晶片量測系統量測載入微流道感測晶片101到108的待測物的物理性質。
為便於說明，以下仍是以圖2A的超材料層13作為說明圖4A到4C的系統的例子。承載板21較佳連接於一致動器（例如，馬達），而處理器24訊號可傳輸地連接於所述致動器，以控制承載板21旋轉，進而將承載板21上的微流道感測晶片101轉至可以接收發射器22發出的波，且反射波可以被反射至接收器23的位置。
如前所述，發射器22用於向該些微流道感測晶片101到108的至少一者發射對應共振圖案的一兆赫波，而接收器23係用於接收對應該兆赫波的反射波。具體地，微流道感測晶片量測系統可以更包含一第一轉盤25及一第二轉盤26，且第一轉盤25連接於一第一致動器，第二轉盤26連接於一第二致動器，且第一致動器及第二致動器訊號可傳輸地連接於處理器24。據此，處理器24即可透過第一致動器及第二致動器致動第一轉盤25及第二轉盤26同向地繞著每一該些微流道感測晶片的一中心旋轉。
換言之，本發明的承載板21、第一轉盤25及第二轉盤26較佳各連接於自身的致動器，且該些致動器連接於處理器24，以由處理器24透過致動器控制承載板21、第一轉盤25及第二轉盤26的轉動。
以圖4A為例，更詳細而言，本發明的微流道感測晶片量測系統的運作方式為，處理器24控制第一致動器致動第一轉盤25旋轉，以將發射器22轉至正對其中一個微流道感測晶片101的第一區域131。相似地，處理器24控制第二致動器致動第二轉盤26旋轉，以將接收器23轉至正對發射器22的發射端口。接著，處理器24控制發射器22發射對應第一區域131的共振圖案的兆赫波，並透過接收器23接收對應的反射波。
接著，請參考圖4B，處理器24再次控制第一致動器，以將發射器22轉至正對同個微流道感測晶片101的第二區域132，及透過第二致動器將接收器23轉至正對發射器22的發射端口。處理器24再控制發射器22發射對應第二區域132的共振圖案的兆赫波，並透過接收器23接收對應的反射波。
以此類推，處理器24即可取得微流道感測晶片101的超材料層13上的每個區域的反射波的物理量。據此，因超材料層13上的每個區域的共振圖案皆對應不同的共振頻率，處理器24即可取得在不同共振頻率下，發射器22發射的每個兆赫波與每個對應的反射波之間的物理量差值，進而判得載入微流道感測晶片101中的待測物的代測物特徵，其中所述物理量差值可以是頻率差或振幅差等。
請參考圖4C，在量測完第一個微流道感測晶片101的物理量差值後，處理器24即可控制承載板21的致動器，以致動承載板21將下一個微流道感測晶片102的第一區域231轉至正對發射器22的發射端口，並重複上述控制發射器22、接收器23、第一致動器及第二致動器的步驟。據此，即可連續地對不同的微流道感測晶片及各微流道感測晶片內不同的共振圖案進行量測。
此外，微流道感測晶片量測系統可以更包含一流量控制器27，用於控制微流道感測晶片101到108中的待測物的流量或流速。據此，即可對微流道感測晶片1中的待測物的流動進行控制。流量控制器27可以是注射幫浦（syringe pump）、蠕動幫浦（peristaltic pump）或壓力驅動的流量控制器（pressure-driven flow controller）等，本發明不對流量控制器的類型予以限制。
綜上所述，依據本發明一或多個實施例所示的微流道感測晶片及其量測系統，可以有效地放大訊號，以取得準確、可用的偵測數值。並且，透過本發明的微流道感測晶片及其量測系統，可以連續地對不同的微流道感測晶片及各微流道感測晶片內不同的共振圖案進行量測，進而降低檢測時間及人力成本。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本發明之專利保護範圍。關於本發明所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。
1,1’,101-108:微流道感測晶片 11:本體 111:上蓋 111a:第一凹陷部 111b:第二凹陷部 112:基板 12:微流道 13,13’:超材料層 131-134,131’-134’:第一區域到第四區域 231:第一區域 14:微波貼片 21:承載板 22:發射器 23:接收器 24:處理器 25:第一轉盤 26:第二轉盤 27:流量控制器 S1:承載表面 P1-P4,P1’-P4’:共振圖案 IN:第一通口 OUT:第二通口 a:厚度 b:距離 c:深度 d:高度 e:寬度 f:週期間距
圖1A及1B係依據本發明一實施例所繪示的微流道感測晶片的示意圖，其中圖1B係繪示圖1A的爆炸圖。圖1C係繪示圖1A的上蓋111沿圖1A的線A-B的剖面圖。圖2A到2C係依據本發明多個實施例所繪示的超材料層的示意圖。圖3係依據本發明另一實施例所繪示的微流道感測晶片的示意圖。圖4A、4B及4C係依據本發明一實施例所繪示的微流道感測晶片量測系統的示意圖。
13:超材料層
131-134:第一區域到第四區域
P1-P4:共振圖案

Claims (13)

  1. 一種微流道感測晶片，包含：一本體，包含一基板及一上蓋，該上蓋具有至少一通口及朝該基板方向凹陷的一第一凹陷部；至少一微流道，形成在該基板上且具有一承載表面，其中該至少一微流道連通該至少一通口；以及一超材料層，塗覆於該承載表面上，其中該超材料層具有多個區域，且每一該些區域具有對應的一共振圖案，其中該第一凹陷部在該基板上的投影涵蓋該些區域在該基板上的投影。
  2. 如請求項1所述的微流道感測晶片，其中該些共振圖案分別對應多個共振頻率，且該些共振頻率彼此相異。
  3. 如請求項2所述的微流道感測晶片，該些共振頻率呈等級距分佈，且該些共振頻率中最高者為一接收器可量測的一最高頻率。
  4. 如請求項1所述的微流道感測晶片，其中該上蓋更具有朝該第一凹陷部方向凹陷的一第二凹陷部，且該第二凹陷部正對該第一凹陷部，該第二凹陷部係該至少一微流道的一部分。
  5. 如請求項1所述的微流道感測晶片，其中每一該些共振圖案係一週期性圖案。
  6. 如請求項1所述的微流道感測晶片，更包含一微波貼片，該微波貼片貼附於該上蓋的一上表面。
  7. 如請求項1所述的微流道感測晶片，其中該些共振圖案係透過一陰極蝕刻法、一金屬蒸鍍法及一離子束蝕刻法的至少一者形成在該超材料層上。
  8. 一種微流道感測晶片量測系統，包含：一承載板；多個微流道感測晶片，設置於該承載板上，其中每一該微流道感測晶片包含：一本體，包含一基板及一上蓋，該上蓋包含至少一通口及朝該基板方向凹陷的一第一凹陷部，其中該至少一通口用於輸入一待測物；至少一微流道，形成在該基板上且具有一承載表面，其中該至少一微流道連通該至少一通口以裝載該待測物；以及一超材料層，塗覆於該承載表面上，其中該超材料層包含多個區域，且每一該些區域具有對應的一共振圖案；其中該第一凹陷部在該基板上的投影涵蓋該些區域在該基板上的投影；一發射器，用於向該些微流道感測晶片的至少一發射對應該共振圖案的一兆赫波；一接收器，用於從該至少一微流道感測晶片接收對應該兆赫波的一反射波；以及一處理器，訊號可傳輸地連接於該接收器，該處理器從該接收器取得該反射波，並依據該反射波判斷對應的一代測物特徵。
  9. 如請求項8所述的微流道感測晶片量測系統，更包含一流量控制器，用於控制該些待測物的一流量或一流速。
  10. 如請求項8所述的微流道感測晶片量測系統，其中該處理器更訊號可傳輸地連接於該發射器，該處理器係根據每一該些兆赫波與每一該些反射波的一物理量差值取得該些代測物特徵。
  11. 如請求項10所述的微流道感測晶片量測系統，其中每一該些物理量差值包含一頻率差或一振幅差。
  12. 如請求項8所述的微流道感測晶片量測系統，更包含一致動器，訊號可傳輸地連接於該處理器，該致動器致動該承載板旋轉，以使每一該些微流道感測晶片自該發射器依序接收對應的兆赫波。
  13. 如請求項8所述的微流道感測晶片量測系統，更包含一第一致動器及一第二致動器，其中該發射器係裝設在一第一轉盤上，該接收器係裝設在一第二轉盤上，該第一致動器連接於該第一轉盤，該第二致動器連接於該第二轉盤，且該第一致動器及該第二致動器訊號可傳輸地連接於該處理器。
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