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TWI854167B - 複合式細胞成像與生化檢測晶片及其使用方法 - Google Patents

複合式細胞成像與生化檢測晶片及其使用方法 Download PDF

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TWI854167B
TWI854167B TW110141713A TW110141713A TWI854167B TW I854167 B TWI854167 B TW I854167B TW 110141713 A TW110141713 A TW 110141713A TW 110141713 A TW110141713 A TW 110141713A TW I854167 B TWI854167 B TW I854167B
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黃貞翰
戴君珊
林庭伊
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國立中央大學
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Abstract

本發明係提供一種具有可提供細胞影像與生化檢測之整合性功能的複合式晶片，特徵在於包含依次叠並相互密封的層板組：上層板組，具有一或多個鏤空孔洞，用以進行樣品進樣及/或用以進行空氣排出或是樣品排出，可由一至多片組成；中層板組，包含至少兩個鏤空結構用以建構成像腔室及生化檢測區，層板可由一至多片組成；及底層板組，包含至少一組對應置於生化檢測區中的過濾結構與電極感測結構，過濾結構用於進行懸浮粒子分離，電極感測結構具有電極端可提供與儀器或設備連接並進行電化學與阻抗量測分析。

Description

複合式細胞成像與生化檢測晶片及其使用方法
本發明係關於一種複合式生物晶片，具有可提供細胞影像與生化檢測之整合性功能。更特別地，本發明係關於一種包含細胞液體腔室與電化學感測區的微流道生物檢測晶片。
特定細胞之生化特性分析與其細胞影像，普遍應用進行生醫相關的檢測，並可提供細胞和分子標的之定性和定量研究，以及相關醫療功效評估等功能。
微流控晶片可用於檢測細胞、遺傳物質、蛋白質等微粒，而已被應用於化學分析、生物醫學、環境監測等領域。在進行檢測時，微流道內的樣本微粒需要被穩定地聚焦在中心位置，以提高檢測的精確度。聚焦的方式主要包括流體動力學聚焦、聲學聚焦等方法。
然而，現有的生物檢測晶片，鮮少具有可同時提供影像分析與生化檢測之整合性功能。於是，本發明利用功能性微流道設計，提供一種整合式細胞分子成像與生化檢測晶片，包含具排氣之細胞液體腔室與電化學感測區用電極，其中該腔室可供採樣之液態檢體儲存並供影像擷取使用，而該電化學感測區中所包含的電極部分可供進行生化電化學訊號感測，故可利用晶片之複合功能性微流道，提供影像與生化相關之同步檢測。
於一方面，本發明係關於一種複合式細胞影像與生化檢測晶片，主要包含依次叠並相互密封的層板組：上層板組，具有一或多個貫穿層板之鏤空孔洞，分別用以進行樣品進樣與用以進行空氣排出或是樣品排出，可由一至多片組成；中層板組，包含至少兩個鏤空結構，分別用以建構成像腔室及生化檢測區，層板可由一至多片組成；底層板組，包含至少一組對應置於生化檢測區中的過濾結構與電極感測結構，過濾結構用於進行懸浮粒子分離，電極感測結構具有電極區及電極端，可提供儀器或設備連接並進行電化學與阻抗量測分析。
本發明之複合式晶片可同時檢測樣品中的細胞形態及其中所含之特定遺傳物質、蛋白質等微粒，檢測的方式主要包括電阻抗檢測、螢光檢測、光散射、顯微成像等方法。
於本發明之較佳實施例，所述之層板組片可由選自光可通性(較佳為透明的)玻璃、塑膠、壓克力等材料製成，各層板組片之厚度較佳介於50至300微米(Micrometer)。
於本發明之較佳實施例，所述之成像腔室可連結一影像監控裝置，包括一顯微影像接收器及一影像分析設備。
於本發明之較佳實施例，所述之電極感測結構包含至少一對微電極，通過在微電極上施加不同幅值和頻率的電信號，進行電化學之測定，例如循環伏安法(cyclic voltammetry, CV) 及計時安培法(Chronoamperometry)等。
於本發明之較佳實施例，係於所述之電極區上修飾一捕獲用分子，例如：抗體、抗原、核酸、蛋白質等生化分子，以使存在樣本中的目標分子與該捕獲用分子進行接合。被捕獲於晶片上之目標分子，可經由目標分子之電化學特性進行電化學量測，或是再通入相對應之檢測分子，例如：抗體、抗原、核酸、蛋白質等生化分子，再次進行接合，並經由電極針對該檢測分子進行電化學量測分析。
以下實施例用於說明本發明，而非來限制本發明的範圍。若未特別指明，實施例中所用的技術手段為本領域技術人員所熟知的常規手段，所用原料均為市售商品。
實施例1、複合式細胞成像與生化檢測晶片
參照圖1，本實施例提供的複合式細胞成像與生化檢測晶片100係由數片層板組合而成：其中，上層板組101具有至少兩個貫穿層板之鏤空結構，於本實例中較佳為兩個直徑介於3至10毫米(Millimetre)之鏤空孔洞104，分別用以進行樣品進樣與用以進行空氣排出或是樣品排出使用，上層板組可由一至多片組成；中層板組102具有兩個鏤空結構105與106，分別用以與上層板組、底層板組結合時可建構出呈現空槽狀的成像腔室1051及生化檢測區1061，成像腔室1051可容納及儲存加樣之液態檢體或培養液，以供進行細胞影像擷取與分析，中層板組102可由一至多片組成；在底層板組103於對應生化檢測區1061之位置表面，置有一或多個過濾結構108與電極感測結構107，該過濾結構108用於進行懸浮粒子分離，該電極感測結構107包含一電極區及一電極端，電極區之結構可為叉狀、點狀、圖形等電化學結構，且該電極端可提供與儀器或設備連接，並進行電化學與阻抗量測分析。
圖2為複合式細胞成像與生化檢測晶片100之外觀俯視照片，上層板組101由透明材料構成，可透視見到晶片100具有兩個由鏤空結構105與106構出的空槽，分別為成像腔室1051及生化檢測區1061。於生化檢測區1061中，可見到設有放置於底層板組103上的電極感測結構107。電極感測結構107具有電極區1071及電極端1072，可提供儀器或設備連接並進行電化學與阻抗量測分析。
圖3為過濾結構108之範例圖，顯示該過濾結構108可包含一由一或多個呈現槽狀、柱狀(a)、或是柵欄(b)、粒篩(c)形式之微列陣109所構成的過濾區域，其主要用以過濾懸浮粒子(包括大分子顆粒、細胞等)，以便使樣品中的小分子可通過該過濾結構，進入電極感測結構107內進行生化量測。
本發明複合式晶片中，分別由鏤空結構105與106所構成的成像腔室1051與生化檢測區1061，彼此可為互通或是各自獨立。於互通設計上，在成像腔室1051與生化檢測區1061之間設有一或多個連結通道，其中可設置有一與過濾結構108相同或相似的過濾結構，而該過濾結構可如前所述，具有一由一或多個呈現柱狀、槽狀、或是柵欄形式之微列陣所構成的過濾區。進入成像腔室中的細胞或微粒之影像，可藉由各式影像擷取裝置或顯微鏡影像系統進行影像之拍攝。可進一步將所拍攝得之影像，透過一接收器傳送至一影像分析設備中進行記錄與分析。
電極感測結構107係供進行各式生化電性操作或分析，包含介電泳控制、阻抗分析、電化學量測等。於電極感測結構107也可進行修飾以協助進行生化專一性感測，例如可在電極感測結構107上修飾一捕獲用分子，如: 抗體、抗原、核酸、蛋白質等生化分子，待測物經過後，目標分子會與捕獲用分子進行接合，可直接經由目標分子之電化學特性進行電化學量測；或是再另通入一相對應之檢測分子，例如：攜帶有可檢測物的抗體、抗原、核酸、蛋白質等生化分子，與被捕獲在電極感測結構107上之目標分子進行接合，並經由該檢測分子之電化學特性，於電極區1071進行檢測分子之電化學量測分析。
實施例2、複合式細胞成像與生化檢測晶片之使用方法
將待測樣本，可為取自患者的液態檢體或細胞培養物等，加樣至晶片100之上層板組101所構成的鏤空孔洞104，液體樣本經由微流道分別進入由中層板組102之鏤空結構105及106所建構出的成像腔室1051及生化檢測區1061中。
圖4為以於電極感測結構107中進行抗體修飾，以及進行目標分子感測之一實例的示意圖，該實例是以待測樣本中存在的抗原為目標分子。如圖4(a)所示，預先在電極感測結構107上修飾一用以捕抓特定抗原之捕獲用分子(如:對抗該目標抗原之抗體)；於待測樣本液體經過濾後，包含於濾液中的目標抗原分子便會與電極感測結構107上的捕獲用分子進行接合(圖4(b))；之後再通入相對應之檢測分子(例如：帶有可檢測物的次級抗體)，與被捕獲之目標分子進行接合(圖4(c))，並經由該檢測分子之電化學特性，於感測結構107中的電極區1071進行檢測分子之電化學量測分析(圖4(d))。
進入由鏤空結構105建構的成像腔室1051之液體樣本，其中的細胞影像可藉由各式影像擷取裝置，或顯微鏡影像系統進行影像之拍攝；亦可透過顯微影像分析與判讀系統，分析特定細胞的形態及病變狀況。圖5為血球細胞(A)與神經細胞(B)之顯微攝影影像，其各別係將血液與細胞培養液注入晶片，細胞將分散於晶片腔體中，再將此晶片置於顯微鏡系統進行影像擷取之結果。
進入生化檢測區之1061液體樣本，當通過置於下層板組103之過濾結構108的微列陣區域時，可藉由其呈現柱狀、槽狀、或是柵欄、粒篩形式的過濾列陣109，將液體樣本中的懸浮粒子(包括，大分子顆粒、細胞或其碎片等)阻擋於過濾列陣109外，而僅讓樣品中的小分子通過該過濾結構108，進入該電極感測感測結構107內進行電化學測定。
圖6為液態檢體通過過濾結構108的濾液，於電極感測區1061中進行電化學測定之結果，將赤血鹽(Potassium hexacyanoferrate(III))溶液引入晶片，使用電化學感測儀連接晶片之電極端1072，進行電化學中循環伏安法(cyclic voltammetry, CV)之測定。圖7為液態檢體通過過濾結構108之濾液，於電極感測區1061中進行電化學之測定之結果，將不同濃度之蛋白激酶(Akt1)引入晶片，使用電化學感測儀連接晶片之電極端1072，進行電化學計時安培法(Chronoamperometry)之測定。
以上僅示範較佳實施例，本發明仍包含於發明內容中所載明之各種實施例及其他實施例。而且上述之各實施範僅為說明本發明，並非用以限定本發明。凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
100:複合式細胞影像與生化檢測晶片 101:上層板組 102:中層板組 103:底層板組 104:鏤空孔洞 105:建構成像腔室之鏤空結構 1051:成像腔室 106:建構生化檢測區之鏤空結構 1061:生化檢測區 107:電極感測結構 1071:電極區 1072:電極端108 過濾結構 109:過濾微列陣
圖1為本發明之實施例1例舉的複合式細胞成像與生化檢測晶片之結構示意圖。
圖2為複合式細胞成像與生化檢測晶片100之外觀俯視照片。具有供細胞或顆粒影像拍攝及進行電化學檢測的空槽，分別為成像腔室1051與生化檢測區1061。
圖3為本發明之複合式細胞成像與生化檢測晶片中之過濾結構的範例圖。過濾結構可包含一或多個過濾區域，由例如柱狀(a)、柵欄(b)、或是粒篩(c)形式之微列陣所構成。
圖4為於本發明之複合式細胞成像與生化檢測晶片中之電極感測結構上進行改質與修飾以及進行感測之示意圖。圖4(a)是顯示，先在電極感測結構上修飾一捕獲用分子(如，一抗體)；圖4(b)是顯示，目標分子(如，一抗原)與該捕獲用分子進行接合；圖4(c)是顯示，一帶有可檢測物的分子(如:次級抗體)，與已被捕獲之目標分子進行接合；圖4(d) 是顯示，經由該檢測分子之電化學特性，於感測結構中的電極區進行該檢測分子之電化學量測分析。
圖5為血球細胞(A)與神經細胞(B)之成像結果。將樣本注入本發明之晶片，細胞分散於晶片的成像腔室中，再將此晶片於顯微鏡系統進行顯像。
圖6為以本發明之晶片進行電化學測定之結果。將赤血鹽(Potassium hexacyanoferrate(III))溶液引入晶片，使用電化學感測儀連接晶片之電極，進行電化學中循環伏安法(cyclic voltammetry, CV)之測定。
圖7為以本發明之晶片進行電化學測定之結果。將不同濃度之蛋白激酶(Akt1)引入晶片，使用電化學感測儀連接晶片之電極，進行電化學計時安培法(Chronoamperometry)之測定。
100:複合式細胞影像與生化檢測晶片
101:上層板組
102:中層板組
103:底層板組
104:鏤空孔洞
105:建構成像腔室之鏤空結構
1051:成像腔室
106:建構生化檢測區之鏤空結構
1061:生化檢測區
107:電極感測結構
108:過濾結構

Claims (6)

  1. 一種複合式細胞影像分析與生化檢測晶片，包含依次堆叠並相互密封的層板組：上層板組，具有兩個鏤空孔洞，用以進行樣品進樣及/或用以進行空氣排出或樣品排出，可由一至多板片組成，其中該板片係由光可通性材料製成；中層板組，包含兩個貫穿層板之鏤空結構，分別用以建構細胞成像腔室及生化檢測區，層板可由一至多板片組成，該兩個鏤空孔洞分別對應該細胞成像腔室及該生化檢測區，該細胞成像腔室及該生化檢測區之間相互獨立；底層板組，包含一板片及至少一組置於該板片上且對應位於該生化檢測區中的過濾結構與電極感測結構，其中該過濾結構係包含一由一或多個微列陣所組成之過濾區，該一或多個微列陣由排列呈現粒篩形式的多個微珠所構成，該電極感測結構包含一電極區及一電極端，用於與電流輸入及進行電化學與阻抗量測分析之儀器或設備連接。
  2. 如請求項1所述之複合式細胞影像分析與生化檢測晶片，其中該層板組之板片係由一選自光可通性玻璃、塑膠、壓克力 之材料製成，且各該層板組之板片之厚度係介於50至300微米(Micrometer)。
  3. 如請求項1所述之複合式細胞影像分析與生化檢測晶片，其中該微列陣係由排列呈現柱狀、槽狀、或是柵欄形式的微柱或微珠所構成。
  4. 如請求項1所述之複合式細胞影像分析與生化檢測晶片，其中該電極區上經修飾一與目標分子結合之捕獲用分子。
  5. 如請求項4所述之複合式細胞影像分析與生化檢測晶片，其中該捕獲用分子為一抗體、抗原、核酸或蛋白質。
  6. 如請求項1所述之複合式細胞影像分析與生化檢測晶片，其中該細胞成像腔室係進一步連結至一影像監控裝置，其中該影像監控裝置包括一顯微影像接收器及一細胞影像分析設備。
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