TW202018275A - 微流體裝置以及製造微流體裝置的方法 - Google Patents

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Abstract

一種微流體裝置包括：一流動通道，其安置於一基於玻璃之基板中；及一蓋，其結合至該基於玻璃之基板且至少部分覆蓋該流動通道，使得該蓋具有至多200 µm之一厚度。

Description

微流體裝置以及製造微流體裝置的方法
本申請案根據專利法主張2018年8月6日提交的美國臨時申請案第62/715,004號之優先權的權益，該申請案之內容為本案之基礎且以其全文引用之方式併入本文中。
本揭露內容係關於微流體裝置以及製造微流體裝置的方法。
微流體裝置已歸因於其在空間上及/或在時間上控制生物反應之能力而在生物分子分析(例如，核酸測序、單分子分析等)中發現廣泛應用，該能力對許多生物分子分析係至關重要的。舉例而言，在基於光學偵測之平行基因測序技術(亦即，下一代測序(next generation sequencing，NGS))中，自染色體組DNA樣本產生之數百萬個短DNA片段可經固定且分割至微流體裝置之一表面上，使得該等DNA片段在空間上相互分開，以藉由例如合成、接合或單分子即時成像來有助於測序。使用蓋玻璃的基於玻璃之微流體裝置通常用於基於光學偵測之NGS或單分子分析。
然而，在製造具有薄蓋玻璃結構之微流體裝置中存在挑戰。舉例而言，蓋玻璃可為脆的，且可在處置、組裝、裝填、船運或使用期間被破壞。對於使用厚蓋玻璃(例如，230 µm至700 µm)之當前微流體裝置或流槽，高解析度成像常常為極其困難的。
本揭露內容提出具有薄且加強之蓋玻璃的改良之微流體裝置，及其製造以用於生物分子分析(詳言之，基因測序)之方法。
在一些實施例中，一種微流體裝置包含：一流動通道，其安置於一基於玻璃之基板中；及一蓋，其結合至該基於玻璃之基板且至少部分覆蓋該流動通道，其中該蓋具有至多200 µm之一厚度。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該微流體裝置進一步包含：穿過該基於玻璃之基板或該蓋中之至少一者且與該流動通道流體連通之一入口開口；及穿過該基於玻璃之基板或該蓋中之至少一者且與該流動通道流體連通之一出口開口。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，一第一基於玻璃之層界定該流動通道之一底板；一第二基於玻璃之層界定該流動通道之側壁；且該蓋界定該流動通道之一頂板。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該蓋具有在100 µm至180 µm之一範圍中的一厚度。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該蓋包含：在56莫耳%至72莫耳%之一範圍中的SiO2 ；在5莫耳%至22莫耳%之一範圍中的Al2 O3 ；在0莫耳%至15莫耳%之一範圍中的B2 O3 ；在3莫耳%至25莫耳%之一範圍中的Na2 O；在0莫耳%至5莫耳%之一範圍中的K2 O；在1莫耳%至6莫耳%之一範圍中的MgO；在0莫耳%至1莫耳%之一範圍中的SnO2 。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該蓋進一步包含：在0莫耳%至7莫耳%之一範圍中的Li2 O；及在0莫耳%至10莫耳%之一範圍中的P2 O5 。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該蓋進一步包含：在0莫耳%至3莫耳%之一範圍中的CaO；及在0莫耳%至2莫耳%之一範圍中的ZrO2 。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該蓋進一步包含：在0莫耳%至6莫耳%之一範圍中的ZnO。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該蓋經配置以具有與純矽石基板之自發螢光一樣低的在400 nm至750 nm之一波長範圍中之一自發螢光。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該蓋經配置以具有至多約100 nm/mm之一平均表面傾斜或斜度，其係使用一雷射干涉儀量測。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該平均表面平度為至多約50 nm/mm。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該蓋經配置以具有至多約10 nm/um2 之一表面粗糙度。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該表面粗糙度為至多約5 nm/um2 。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該蓋在一結合容積處結合至該基於玻璃之基板，該結合容積包含擴散至該基於玻璃之基板及該蓋中之每一者內的一結合材料。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該微流體裝置進一步包含安置於該基於玻璃之基板與該蓋之間的一結合層。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該結合層包含一金屬。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該金屬包含以下中之一或多種：金、鉻、鈦、鎳、銅、鋅、鈰、鉛、鐵、釩、錳、鎂、鍺、鋁、鉭、鈮、錫、銦、鈷、鎢、鐿、鋯或其氧化物或其組合。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該結合層包含一聚合物碳黑複合薄膜。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該微流體裝置為用於DNA測序之一流槽。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該底板通道之一表面、該蓋之一表面或兩者包含一經圖案化的奈米結構陣列。
在一些實施例中，一種玻璃組成物包含：在56莫耳%至72莫耳%之一範圍中的SiO2 ；在5莫耳%至22莫耳%之一範圍中的Al2 O3 ；在0莫耳%至15莫耳%之一範圍中的B2 O3 ；在3莫耳%至25莫耳%之一範圍中的Na2 O；在0莫耳%至5莫耳%之一範圍中的K2 O；在1莫耳%至6莫耳%之一範圍中的MgO；在0莫耳%至1莫耳%之一範圍中的SnO2 。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該玻璃組成物進一步包含：在0莫耳%至7莫耳%之一範圍中的Li2 O；及在0莫耳%至10莫耳%之一範圍中的P2 O5 。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該玻璃組成物進一步包含：在0莫耳%至3莫耳%之一範圍中的CaO；及在0莫耳%至2莫耳%之一範圍中的ZrO2 。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該玻璃組成物進一步包含：在0莫耳%至6莫耳%之一範圍中的ZnO。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該玻璃組成物經配置以具有至少600 MPa之一強度。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該玻璃組成物經配置以具有至少1.50之一折射率。
在一些實施例中，一加強一玻璃組成物之方法包含：用具有一第二大小之一第二鹼金屬陽離子替換具有一第一大小之一第一鹼金屬陽離子，其中該第二大小大於該第一大小，且其中該玻璃組成物經配置以在該替換前具有在100 MPa與200 MPa之一範圍中之一強度，且在替換後具有至少600 MPa之一強度。
在可與其他態樣或實施例中之任一者組合之一個態樣中，該第一鹼金屬陽離子為一鋰陽離子或一鈉陽離子中之至少一者，且其中該第二鹼金屬陽離子為一鈉陽離子或一鉀陽離子中之至少一者。
額外特徵及優勢將在接下來之詳細描述中闡述，且部分將易於為熟習此項技術者自彼描述而顯而易見，或藉由實踐如本文中描述之實施例來認識，包括接下來之詳細描述、申請專利範圍及隨附圖式。
應理解，前述大體描述及以下詳細描述皆僅為例示性，且意欲提供理解所主張主題之本質及特性的綜述或框架。包括隨附圖式以提供進一步理解，且其併入本說明書中且構成本說明書之一部分。該等圖式說明一或多個實施例，且與描述一起用以解釋各種實施例之原理及操作。
現將對例示性實施例詳細地進行參考，該等例示性實施例說明於隨附圖式中。在可能時，貫穿圖式使用相同的元件符號以指代相同或類似部分。圖式中之組件未必按比例，實際上，著重說明例示性實施例之原理。應理解，本申請案不限於在描述中闡述或在圖中圖示之細節或方法。亦應理解，術語僅係為了描述之目的，且不應被看作限制性。
另外，在本說明書中闡述之任何實例係說明性，而非限制性，且僅闡述主張之發明之許多可能實施例中之一些。在該領域中通常遇到且將對熟習此項技術者顯而易見的多種條件及參數之其他合適修改及更改在本揭露內容之精神及範疇內。
術語「表面粗糙度」意謂如在ISO 25178，幾何產品規範(GPS)——表面紋理：區域(Geometric Product Specifications (GPS) - Surface texture: areal)中描述在25 μm下過濾之Ra表面粗糙度，除非另有指示。本文中報告之表面粗糙度值係使用原子力顯微術(atomic force microscopy，AFM)獲得。
本揭露內容提供針對基於光學偵測之NGS或單分子分析而製作及使用具有薄且加強之蓋玻璃結構之基於玻璃之微流體裝置。
第1A圖至第1D圖描繪根據一些實施例的用於微流體裝置之製造之製程流100。
在如在第1A圖中展示之第一步驟中，提供三層基板，其包含***於一第一包覆層104a與一第二包覆層104b之間的一核心層102。核心層102、第一包覆層104a及第二包覆層104b獨立地包含基於玻璃之材料(例如，玻璃材料、玻璃陶瓷材料、陶瓷材料或其組合)。在一些實施例中，核心層102包含與第一包覆層104a及第二包覆層104b之玻璃組成物不同的玻璃組成物。第一包覆層104a及第二包覆層104b可分別自第一包覆玻璃組成物及第二包覆玻璃組成物形成。在一些實施例中，第一包覆玻璃組成物與第二包覆玻璃組成物可為相同材料。在其他實施例中，第一包覆玻璃組成物與第二包覆玻璃組成物可為不同材料。
第1A圖圖示核心層102，其具有一第一表面102a及與該第一表面102a相對之一第二表面102b。第一包覆層104a直接熔合至核心層102之第一表面102a，且第二包覆層104b直接熔合至核心層102之第二表面102b。玻璃包覆層104a及104b可無任何額外材料(如，黏著劑、聚合物層、塗層或安置於核心層102與包覆層104a及104b之間的類似者)地熔合至核心層102。因此，在此實例中，核心層102之第一表面102a直接鄰近第一包覆層104a，且核心層102之第二表面102b直接鄰近第二包覆層104b。在一些實施例中，核心層102及玻璃包覆層104a及104b係經由熔融層壓製程(例如，熔融拉製製程)形成。擴散層(未圖示)可形成於核心層102與包覆層104a之間，或在核心層102與包覆層104b之間，或兩者皆有。
第一及第二包覆層可自包含以下各者之組成物形成：具有在45莫耳%至60莫耳%之一範圍中的濃度之二氧化矽(SiO2 )、具有在8莫耳%至19莫耳%之一範圍中的濃度之氧化鋁(Al2 O3 )、具有在5莫耳%至23莫耳%之一範圍中的濃度之三氧化二硼(B2 O3 )及具有在3莫耳%至21莫耳%之一範圍中的濃度之氧化鈉(Na2 O)。該包覆層可實質上無砷(As)及鎘(Cd)以規定，當將高濃度酸(例如，10%氟化氫，HF)用作蝕刻劑時，包覆層之降級速率為核心層之降級速率之至少十倍大，或當將低濃度酸(例如，1%或0.1% HF溶液)用作蝕刻劑時，包覆層之降級速率為核心層之降級速率之至少二十倍大。
核心層可自鹼土硼鋁矽酸鹽玻璃(例如，Corning Eagle XG® )、Corning FotoForm® 玻璃、Corning IrisTM 玻璃或Corning Gorilla® 玻璃中之至少一者形成。舉例而言，核心層可自具有以下之組成的一玻璃形成：79.3重量% SiO2 、1.6重量% Na2 O、3.3重量% K2 O、0.9重量% KNO3 、4.2重量% Al2 O3 、1.0重量% ZnO、0.0012重量% Au、0.115重量% Ag、0.01重量% CeO2 、0.4重量% Sb2 O3 及9.4重量% Li2 O。在一些實施例中，核心層包含例如Corning Eagle XG® 玻璃或Corning IrisTM 玻璃中之至少一者，此係歸因於其超低自發螢光。
第1B圖圖示一塗佈及圖案化製程，藉以將一玻璃至玻璃結合材料106(例如，結合層)沉積至第一包覆層104a之一表面上。舉例而言，玻璃至玻璃結合材料106包含Cr/CrON、金屬(例如，Zn、Ti、Ce、Pb、Fe、Va、Cr、Mn、Mg、Ge、Au、Ni、Cu、Al、Ta、Nb、Sn、In、Co、W、Yb、Zr等)、其金屬氧化物(例如，Al2 O3 、ZnO2 、Ta2 O5 、Nb2 O5 、SnO2 、MgO、氧化銦錫(ITO)、CeO2 、CoO、Co3 O4 、Cr2 O3 、Fe2 O3 、Fe3 O4 、In2 O3 、Mn2 O3 、NiO、a-TiO2 (銳鈦礦)、r-TiO2 (金紅石)、WO3 、Y2 O3 、ZrO2 )、膠水(例如，UV可固化)、膠帶(例如，雙面壓力黏著性膠帶、雙面聚醯亞胺膠帶)或聚合物碳黑複合薄膜(例如，聚醯亞胺碳黑薄膜)中之至少一者。
第1B圖之複合結構之結合材料106可使用旋塗、浸塗、化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)(例如，電漿輔助式、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)、氣相磊晶(vapor-phase epitaxy，VPE)等)、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)(例如，濺鍍、蒸鍍、電子束等)、雷射輔助式沉積等中之至少一者形成。
第1C圖圖示一濕式化學蝕刻製程，藉由此製程，在圖案化玻璃至玻璃結合材料106(如在第1B圖中展示)後，該三層玻璃基板經受選擇性化學蝕刻以移除第二包覆層104b及第一包覆層104a之不受經圖案化之玻璃至玻璃結合材料106保護的一部分，直至核心玻璃層102被曝露且其表面變為微流體通道(例如，為了生物分子之固定)之一個表面。在濕式化學蝕刻製程中，經圖案化之玻璃至玻璃結合材料106充當一蝕刻遮罩以防止使第一包覆層104a之經遮蔽區域與蝕刻劑接觸。第一包覆層104a及第二包覆層104b在該蝕刻劑中可具有比核心玻璃層102之蝕刻速率高的一蝕刻速率，使得核心玻璃層102充當一蝕刻終止層以控制微流體通道之深度。在一些實施例中，在濕式化學蝕刻製程前，將一聚合層沉積於玻璃至玻璃結合材料106上。
替代地，在蝕刻前，一抗蝕刻劑聚合物薄層可形成於第二包覆層104b之蝕刻劑接觸表面及/或第一包覆層104a之接觸經圖案化之玻璃至玻璃結合材料106的一區域上，使得在移除第一包覆層104a之經曝露區域以形成通道時，後蝕刻第二包覆層104b保持完整。
玻璃至玻璃結合材料106之圖案化可使用加法或減法圖案化技術(例如，墨水印刷、膠帶結合、蒸氣沉積、電漿蝕刻、濕式蝕刻等)來進行。
濕式蝕刻化學品包含能夠使玻璃製品降級或溶解之合適組分。舉例而言，合適的濕式蝕刻化學品包括酸(例如，HCl、HNO3 、H2 SO4 、H3 PO4 、H3 BO3 、HBr、HClO4 、HF、醋酸)、鹼(例如，LiOH、NaOH、KOH、RbOH、CsOH、Ca(OH)2 、Sr(OH)2 、Ba(OH)2 )或其組合。
第1D圖表示在於玻璃至玻璃結合材料106之頂上施加一玻璃蓋108(具有一第一表面108a及一第二表面108b)後的微流體裝置之最終組件。玻璃蓋108包含一基於玻璃之材料(例如，玻璃材料、玻璃陶瓷材料、陶瓷材料或其組合)。
在一些實例中，該蓋具有至多200 µm之一厚度。在一些實施例中，該蓋具有在10 µm與200 µm之一範圍中、在50 µm與200 µm之一範圍中、在75 µm與200 µm之一範圍中、在100 µm與180 µm之一範圍中、在125 µm與160 µm之一範圍中、或在150 µm與175 µm之一範圍中之一厚度。
在一些實施例中，該蓋具有包含以下各者之一組成：具有在56莫耳%至72莫耳%之一範圍中的濃度之二氧化矽(SiO2 )；具有在5莫耳%至22莫耳%之一範圍中的濃度之氧化鋁(Al2 O3 )；具有在0莫耳%至15莫耳%之一範圍中的濃度之三氧化二硼(B2 O3 )；具有在3莫耳%至25莫耳%之一範圍中的濃度之氧化鈉(Na2 O)；具有在0莫耳%至5莫耳%之一範圍中的濃度之氧化鉀(K2 O)；具有在1莫耳%至6莫耳%之一範圍中的濃度之氧化鎂(MgO)；及具有在0莫耳%至1莫耳%之一範圍中的濃度之氧化錫(SnO2 )。
在一些實施例中，該蓋可進一步包含具有在0莫耳%至7莫耳%之一範圍中的濃度之氧化鋰(Li2 O)及具有在0莫耳%至10莫耳%之一範圍中的濃度之五氧化二磷(P2 O5 )。在一些實施例中，該蓋可進一步包含具有在0莫耳%至3莫耳%之一範圍中的濃度之氧化鈣(CaO)及具有在0莫耳%至2莫耳%之一範圍中的濃度之二氧化鋯(ZrO2 )。在一些實例中，該蓋可進一步包含具有在0莫耳%至6莫耳%之一範圍中的濃度之氧化鋅(ZnO)。
在一些實施例中，使用一雷射輔助式輻射結合製程來使用玻璃至玻璃結合材料106將玻璃蓋108與第一包覆層104a結合。在不受任何特定理論或製程約束之情況下，據信玻璃至玻璃結合材料106分別至第一包覆層104a及玻璃蓋108之結合為使玻璃至玻璃結合材料106之一部分擴散至第一包覆層104a內及至玻璃蓋108內所致，使得第一包覆層104a及玻璃蓋108之包含擴散的玻璃至玻璃結合材料106之每一部分為結合之容積層(未圖示)。如所定向，玻璃至玻璃結合材料106可使雷射發射之波長不穿透，而第一包覆層104a及玻璃蓋108可使雷射發射之波長穿透。在此等實施例中，雷射發射可穿過玻璃蓋108，及/或三層基板，且由玻璃至玻璃結合材料106吸收。在一些實施例中，玻璃至玻璃結合材料106分別至第一包覆層104a及玻璃蓋108之擴散致使結合之容積層可使雷射發射之波長穿透。
在一些實施例中，玻璃至玻璃結合材料106分別至第一包覆層104a及玻璃蓋108之結合係使用一雷射實現，該雷射具有一波長使得基板(例如，第一包覆層104a及/或玻璃蓋108)中之至少一者可使彼波長穿透。該等層之間的界面提供透射率或光學透射率之改變，此導致在界面處的雷射能量之吸收及局部化之加熱，以產生結合。
在玻璃至玻璃結合材料106為Cr/CrON之一些實施例中，Cr組分可充當使雷射波長無法穿透或阻擋雷射波長且具有對擴散至第一包覆層104a及/或玻璃蓋108內之親和性的熱吸收層。在替代實施例中，可將具有適當波長吸收及擴散親和性特性之其他材料用作熱吸收層。熱吸收層之厚度可達到補償表面粗糙度或控制製程之時序及溫度所需要之厚度。
另外及/或替代地，玻璃至玻璃結合材料106貫穿結合之容積層至第一包覆層104a及玻璃蓋108之結合可包括熔化玻璃至玻璃結合材料106、第一包覆層104a及/或玻璃蓋108中之至少一者(例如，在雷射發射吸收處之局部化的熔化)。此外，該結合亦可包括使玻璃至玻璃結合材料106熔融至第一包覆層104a或玻璃蓋108中之至少一者。在一些實施例中，結合之容積層使雷射發射之波長穿透。
在一些實施例中，結合可經由單獨之雷射發射(未圖示)來達成，如在美國專利案第9,492,990號、第9,515,286號及/或第9,120,287號中所描述，該等專利案之全部內容被以引用的方式併入本文中。
換言之，在將玻璃蓋108放置至第1C圖之蝕刻結構上(如上所述)且與玻璃至玻璃結合材料106緊密接觸後，使該組合曝露於輻射(例如，雷射光處理)以經由結合之容積層分別將第一包覆層104a及玻璃蓋108中之至少一者結合至玻璃至玻璃結合材料106。產生第1D圖之結構可包括將蓋基板108定位於玻璃至玻璃結合材料106上，及用足以將結合材料106之至少一部分擴散至蓋基板108及第一包覆層104a內之電磁輻射輻照結合材料106。
由此，玻璃蓋108之第二表面108b面向核心層102之第一表面102a且與該第一表面102a直接相對，其中第二表面108b為微流體通道112之頂板表面，且第一表面102a為底板表面。歸因於通道表面之精密結合及超平度，通道112之頂板表面108b與底板表面102a高度平行。流體(例如，測試DNA樣本)之受控制的進入及退出係經由玻璃蓋108中之孔110進行，該孔自第一表面108a延伸至第二表面108b(例如，通孔)。微流體通道112提供經由微流體裝置的用於流體之一流徑(虛線)。舉例而言，當用於DNA測序時，微流體通道112提供用於測試DNA樣本之一流徑，使得DNA片段可固定且分割至通道112之頂板表面108b及/或底板表面102a上以有助於測序。通道112之頂板表面108b及/或底板表面102a可經處理，例如，以化學方式官能化或以物理手段結構化(例如，藉由奈米井陣列)，以輔助執行所要的功能(例如，所需片斷之捕獲)。
在一些實施例中，儘管將基板描述為三層基板(見第1A圖)，但兩層基板亦在所預料之內，且包含一核心層及一包覆層(如上所述)。在此實例中，第1C圖之濕式化學蝕刻製程將導致移除包覆層之不受經圖案化之玻璃至玻璃結合材料保護的一部分，直至核心玻璃層被曝露。因此，在此實例中，玻璃至玻璃結合材料在包覆層頂上經圖案化。
第2圖為根據一些實施例的兩通道微流體裝置200之平面圖示意性圖式，該裝置包含一薄、加強且實質上平坦的蓋玻璃，且藉由本文中揭露之方法製造。在此實例中，微流體裝置200包括一微流體通道202，作為連接入口204與出口206的用於測試樣本之流徑，以用於分別控制進入及退出。換言之，入口204及出口206中之每一者與微流體通道202流體連通。如上所述，微流體通道202具有為核心層102之表面的一底板表面、為玻璃蓋108之表面的一頂板表面，及為微流體通道202之側壁之至少一部分的第一包覆層104a。
可在玻璃蓋或底部基板上製作微流體通道、入口及出口。在一些實例中，入口及出口形成於底部基板上，該底部基板係藉由玻璃、玻璃陶瓷、矽、純矽石或其他基板製造。
每一通道202之頂板及底板表面可用於使生物分子固定。每一個別通道可與一結合區208分開，在該結合區208處，第一包覆層104a及玻璃蓋108與玻璃至玻璃結合材料106結合在一起，如上所述。換言之，結合區208描繪一氣密性密封件經由結合層形成之區。在一些實施例中，可藉由首先在底部基板上圖案化，接著藉由光阻或抗蝕刻劑聚合物膠帶保護來形成結合層。在化學蝕刻後，光阻保護劑或聚合物膠帶經移除以曝露結合層。在一些實例中，將玻璃蓋結合至底部基板亦可使用雷射輔助式輻射結合製程達成。
在一些實例中，該蓋具有至多約100 nm/mm之平均表面平度，其係在流動通道之中心部分處之縱向方向上量測。在一些實例中，蓋具有在10 nm/mm與90 nm/mm之一範圍中、或在20 nm/mm與80 nm/mm之一範圍中、或在40 nm/mm與60 nm/mm之一範圍中的一平均表面平度，其係在流通道之中心部分處之縱向方向上量測。在一些實例中，該蓋具有至多約75 nm/mm、或至多約50 nm/mm、或至多約25 nm/mm之平均表面平度，其係在流動通道之中心部分處之縱向方向上量測。
該表面平度可使用一雷射干涉儀(例如，Zygo New View 3000、Zygo Z-mapper、Tropel FlatMaster)來量測，該雷射干涉儀量測在一測試樣本表面與干涉儀之參考表面之間的形狀及傾斜之差異。對於經蝕刻之通道，微流體通道底板表面之平度係相對於玻璃至玻璃結合材料106或一參考基板(當將測試樣本抵靠參考基板放置時)之頂表面來量測。對於結合之微流體裝置或流槽，該微流體通道底板表面之平度係相對於參考基板之一表面來量測，使得將該裝置或流槽放置於參考基板頂上。
在一些實例中，該蓋具有至多約10 nm/µm2 之一表面粗糙度。在一些實例中，該蓋具有在1 nm/µm2 與9 nm/µm2 之一範圍中、或在2 nm/µm2 與8 nm/µm2 之一範圍中、或在3 nm/µm2 與7 nm/µm2 之一範圍中的一表面粗糙度。在一些實例中，該蓋具有至多約7.5 nm/µm2 、或至多約5 nm/µm2 、至多約2.5 nm/µm2 之一表面粗糙度。該表面粗糙度可使用原子力顯微術(AFM)量測，該AFM在探針(例如，金字塔形尖端)與樣本之間使用力來量測表面之拓撲特徵，包括表面粗糙度。
在一些實施例中，一微流體裝置可含有薄、加強且實質上平坦的蓋玻璃，其中一底部基板為三層玻璃，該三層玻璃包含夾在兩個包覆層之間的一核心層且具有其通道底板表面亦實質上平坦的一預先蝕刻之通道。由於核心層具有與包覆層不同的組成物及比包覆層低得多的對蝕刻劑之蝕刻速率，因此核心層可充當一蝕刻終止層，從而導致實質上平坦之通道底板表面。在一些實例中，在通道底板表面之中心區域內之平度小於100 nm/mm，或小於75 nm/mm，或小於50 nm/mm，或小於25 nm/mm。
舉例而言，第3圖圖示根據一些實施例的沿著一流槽之通道方向之橫截面示意圖。詳言之，未圖案化之微流體裝置300包含一薄、加強且實質上平坦的蓋玻璃310及一三層底部玻璃基板320，該底部玻璃基板320具有夾在兩個包覆層340之間的一核心層330。底部基板320在面向蓋玻璃310之側上含有一預先蝕刻之通道380，其中通道側壁之端表面具有形成於其上之一結合層350。在一些實例中，結合層350可為金屬或聚合物碳黑複合薄膜或膠水或膠帶。底部基板320亦包括一入口埠360及一出口埠370。入口埠連接至一外部溶液，且用以將溶液引入至微流體通道380內，而出口埠連接至一外部廢料容器，且用以使溶液退出微流體通道380。
在一些實例中，底板通道之表面、蓋之表面或兩者包含一經圖案化的奈米結構陣列。
第4圖圖示根據一些實施例的沿著一單側圖案化流槽之通道方向之橫截面示意圖。詳言之，單側圖案化微流體裝置400包含一薄、加強且實質上平坦的蓋玻璃410。第4圖之元件410-480類似於以上針對第3圖描述之元件310-380。底部玻璃基板420包含一預先蝕刻之通道480，其通道底板表面可藉由化學或物理方式來改質以形成經奈米圖案化特徵490。在一些實例中，經奈米圖案化特徵可為沉積之化學部分。在一些實例中，經奈米圖案化特徵可為預定表面粗糙度。在一些實例中，經奈米圖案化特徵(例如，奈米井)可藉由能夠在預先蝕刻、深通道內部奈米圖案化(例如，光微影、奈米壓印、奈米球微影等)之微影技術形成。
第5圖圖示根據一些實施例的沿著一雙側圖案化流槽之通道方向之橫截面示意圖。詳言之，雙側圖案化微流體裝置500包含一薄、加強且實質上平坦的蓋玻璃510。第5圖之元件510-580類似於以上針對第3圖描述之元件310-380。底部玻璃基板520包含一預先蝕刻之通道580，其通道底板表面可藉由化學或物理手段來改質以形成經奈米圖案化特徵590。此外，蓋玻璃510(其底表面可充當通道580頂板)亦可藉由類似方式(如以上針對第4圖描述)來修改，以形成經奈米圖案化特徵595。
使用加強玻璃允許使用多種微影技術(包括光微影、奈米壓印及奈米球微影)對平坦薄玻璃直接執行圖案化。奈米圖案化通常可僅針對厚玻璃基板(例如，0.7 mm及0.5 mm)來進行。對於高度易碎且極其難以在無損壞之情況下處置的薄玻璃(例如，0.3 mm，或詳言之，約0.15 mm)，通常需要一載體，此增添了奈米圖案化製程之成本及複雜性。
最終可藉由在燒蝕製程中之雷射切割(例如，CO2 、IRIS雷射)來製備微流體裝置。在一些實例中，該微流體裝置為用於DNA測序之流槽。實例
將藉由以下實例進一步澄清本文中描述之實施例。
實例 1 ——玻璃組成物
表1之玻璃組成物可用作本文中揭露的微流體裝置之薄、加強且實質上平坦的蓋玻璃。
Figure 108127342-A0304-0001
 表1
可使用熔融拉製製程製作表1之玻璃族系，以如與諸如鹼石灰玻璃或生物光子玻璃(例如，D263T或D236M)之當前可用玻璃相比，實現更好的耐刮擦性，此為用於生物分子相互作用之光學成像的微流體裝置之重要屬性。在表1中展示之玻璃族系可使用離子交換製程來加強，此導致玻璃加強性質之實質上改良，以藉由(例如)急劇的撞擊或印壓來增強耐損壞性。作為網絡改質劑之鹼及鹼土金屬陽離子可形成非橋接氧(亦即，結合至僅一個矽原子之氧)，此降低了玻璃對研磨、刮擦或類似者之耐損壞性。在離子交換製程期間，諸如在表1之玻璃族系中存在之單價鹼金屬陽離子(例如，Li、Na等)由諸如較大單價鹼金屬陽離子(例如，Na、K等)之較大陽離子置換。離子之此置換使玻璃之表面處於壓縮狀態中，且使核心處於補償張拉中，從而將表面壓縮自約100 MPa增大至約600 MPa，此導致玻璃具有較高耐損壞性。
使用該離子交換製程，將用於在表1中描述之玻璃之層深度(Depth of Layer; DOL)判定為在35 µm至45 µm之範圍中，具有100% KNO3 熱鹽浴。層深度量測具體針對化學加強之玻璃的玻璃之壓縮強度。其為至玻璃之表面(壓縮應力可引入至該表面)內的深度，且經定義為自實體表面至玻璃內部之零應力點的距離。層深度可藉由玻璃組成物及離子交換配方(例如，時間、溫度及鹽浴之循環)來控制。在一些實例中，熔化之鹽浴之溫度在380℃至450℃之範圍中。在一些實例中，浸沒時間在2小時至16小時之範圍中。
藉由第1A圖至第1D圖之熔融拉製製程的如在表1中之組成物的玻璃在離子交換前可具有在100 MPa至200 MPa之一範圍中的強度。在離子交換後，玻璃組成物可具有超過600 MPa之增強之強度。此外，在進行離子交換前及後，表1中的玻璃組成物之平均表面平度皆在10 nm/mm至50 nm/mm之範圍中。
舉例而言，第6圖圖示如使用Tropel® FlatMaster® 雷射干涉儀量測平度來量測的根據表1的針對兩個170 µm厚蓋玻璃晶圓樣本(約156 mm2 之面積)的蓋玻璃表面傾斜或斜度之最小、最大、平均及標準偏差之盒鬚圖。計算為平度資料之導數(亦即，一階擬合)之斜度展示兩個樣本之傾斜或斜度很小(小於50 nm/mm)，表明薄蓋玻璃很平。
對於玻璃中之每一者，具有在350 nm至2250 nm之範圍中的波長之光透射率在離子交換前及後皆大於90%。此外，藉由如在表1中之玻璃組成物製備之蓋玻璃在離子交換前具有折射率1.50，但在離子交換後，對於表面壓縮層級，具有折射率1.51，由此導致當用於光學成像時之較好成像品質。用於表1中之玻璃的熱膨脹係數(coefficient of thermal expansion，CTE)在75 × 10-7 /℃至82 × 10-7 /℃之一範圍中。
實例 2 ——自發螢光特性化
使用具有表2之組成物之玻璃蓋，在共焦螢光掃描器中，使用在450 nm至750 nm之範圍中的激發波長進行自發螢光量測。該掃描器可對典型載玻片(1英吋×3英吋)之全部表面成像。除了跨全部表面之自發螢光均勻性之外，亦可計算平均化之自發螢光等級。
Figure 108127342-A0304-0002
 表2
第7A圖及第7B圖圖示與其他載玻片相比的根據一些實施例的加強之薄蓋玻璃基板之自發螢光。詳言之，第7A圖及第7B圖展示當分別使用550 nm之激發波長(具有570 nm的量測之發射波長)及650 nm之激發波長(具有670 nm的量測之發射波長)時具有族系A、B及C之組成物的玻璃蓋之自發螢光。結果展示，每一玻璃蓋具有與純矽石基板類似或相當但比諸如D263T及D263M(皆來自Schott AG® )之其他廣泛使用的生物光子玻璃低得多之自發螢光信號。純矽石常被視為顯示最低可能自發螢光之基板。在一些實例中，族系A-C之自發螢光可為至少100 RFU，或至多90 RFU，或至多80 RFU，或至多70 RFU，或至多60 RFU，或至多50 RFU。
實例 3 ——三層基於玻璃之基板中的經蝕刻通道之平度
使用抗蝕劑材料之噴墨印刷來圖案化156 mm2 三層玻璃晶圓，其中晶圓背側係使用耐HF聚合物膠帶來保護。在藉由10% HF溶液在35℃下蝕刻達70分鐘後，曝露之頂部包覆層經選擇蝕刻掉以在玻璃基板中形成通道，接著為膠帶之剝離及聲波處理以用於抗蝕劑移除。該等玻璃晶圓具有具有0.11 mm之厚度的兩個包覆層，及具有0.8 mm之厚度的一核心層。第8圖展示含有十四個經蝕刻通道的156 mm2 三層玻璃晶圓之相片，每一通道具有135 mm之長度、5 mm之寬度及110 µm之深度。Tropel® FlatMaster® 雷射干涉儀接著用以檢驗在玻璃基板中製作的通道之深度及底板表面平度。
第9A圖至第9C圖圖示如使用一雷射干涉儀成像的在如第8圖中展示的基於玻璃之基板中沉積之兩個通道的深度及底板表面平度資料。具體言之，第9A圖展示一假色影像，其展示兩個通道之深度；第9B圖為第9A圖中之通道A的通道底板表面傾斜或斜度之散佈圖；且第9C圖為通道底板表面傾斜或斜度之最小、最大、平均及標準偏差之盒鬚圖。第9A圖中之結果展示兩個通道A及B皆具有約110 µm ± 2.5 µm之一相對均勻深度，如由包覆層之厚度定義。第9B圖及第9C圖指示通道底板表面之傾斜或斜度小——低於50 nm/mm——表明通道底板表面係平坦的。
實例 4 ——奈米圖案化通道
在針對深度及底板表面平度特性化後，第8圖之156 mm2 三層玻璃晶圓經圖案化以形成一經圖案化的奈米結構陣列。一開始，晶圓之頂表面藉由乙烯基聚合物來保護，從而使通道打開且不受保護。接著，使用Langmuir-Blodgett裝置將600 nm聚乙烯珠粒的緊密填充之單層轉印至晶圓上，使得用珠粒單層來塗佈通道底板表面，隨後，移除聚合物膠帶。其後，使在通道底板表面上具有珠粒之單層的晶圓曝露於氧電漿以將珠粒大小減小至約260 nm，且使用電子束沉積來沉積50 nm Al2 O3 層。最後，使用在水浴中之聲波處理剝除所有珠粒以在通道底板表面上形成具有良好定義之大小、形狀及深度的一奈米井陣列。
第10圖為根據一些實施例的如在第8圖中的156 mm2 基於玻璃之基板晶圓之相片，其中每一通道底板表面具有一經圖案化的奈米井陣列。當藉由強白光照射晶圓時，獲得傾斜的相片，此揭示自通道底板表面上的奈米井之長程排序引起的干擾圖案。
第11圖圖示在於第10圖中展示的基於玻璃之基板之通道底板表面中之一者上的經圖案化奈米井陣列之掃描電子顯微(SEM)影像。奈米井側壁由Al2 O3 製成，而底部為核心層表面。該等奈米井具有約256 ± 8 nm之一平均化圓直徑，及約608 ± 30 nm的在鄰近井之間的一平均化之間距。原子力顯微術(AFM)資料(未圖示)指示奈米井之深度為約50 nm，如藉由Al2 O3 沉積判定。
與薄、加強且實質上平坦的蓋玻璃結構(以上描述)組合，超平坦通道底板表面(由以上描述之三層玻璃基板形狀)及圖案化(藉由以上描述之奈米球微影形成)實現高品質微流體裝置，從而允許使用光學成像系統之高品質生物分子分析。
因此，如本文中所提出，提供一種玻璃組成物及製造基於玻璃之微流體裝置之方法，以形成具有薄且加強之蓋玻璃結構及低自發螢光以用於基於光學偵測之NGS或單分子分析之微流體裝置。
歸因於具有低自發螢光的薄、加強且實質上平坦之蓋玻璃，該裝置可(1)在通道表面上具有生物分子之高信號對雜訊偵測；(2)允許較高品質光學自發螢光成像(例如，藉由較快掃描及聚集速度)，由此加速排序速度；及(3)實現高尺寸穩定性，詳言之，在高溫下，以減少與處置、處理、組裝、封裝、奈米圖案化、船運及/或刮擦有關的損壞之意外。此外，本文中揭露之微流體裝置包含具有一經蝕刻通道之一底部玻璃基板，該經蝕刻通道具有一實質上平坦的通道底板表面，由此允許快速掃描及成像通道之頂表面及底表面兩者，且增加針對測序的此等裝置之處理量。最終，本文中揭露之製造方法係可調式的、靈活的，且提供高處理量。微流體裝置之晶圓級處理及組裝係可能的。
如本文中所利用，術語「大致」、「約」、「實質上」及類似術語意欲具有與一般熟習本揭露內容之主題關於之技術者之通常且公認用法相合的廣泛意義。審閱本揭露內容的熟習此項技術者應理解，此等術語意欲允許所描述及主張的某些特徵之主，而不將此等特徵之範疇限制於提供之精確數值範圍。因經，此等術語應被解釋為指示，描述及主張的主題之非實質或無意義修改或更改被視為在如在所附申請專利範圍中敘述的本發明之範疇內。
如本文中所利用，「可選的(optional)」、「視情況(optionally)」或類似者意欲意謂隨後描述之事件或情況可或可不發生，且該描述包括該事件或情況發生之實例及其不發生之實例。如本文中使用之不定冠詞「一(a或an)」及其對應的定冠詞「該(等)(the)」意謂至少一個，或一或多個，除非另有指定。
本文中對元件之位置之參考(例如，「頂部」、「底部」、「在……上方」、「在……下方」等)僅用以描述在該等圖中的各種元件之定向。應注意，根據其他例示性實施例，各種元件之定向可不同，且此等變化意欲由本揭露內容涵蓋。
關於本文中的實質上任何複數及/或單數項目之使用，熟習此項技術者可按適合於上下文及/或應用而自複數轉化為單數及/或自單數轉化為複數。為了清晰起見，可在本文中明確地闡述各種單數/複數排列。
熟習此項技術者將顯而易見，在不脫離主張之標的之精神或範疇之情況下，可進行各種修改及變化。因此，主張之標的將不受限制，惟依據所附之申請專利範圍及其等效內容除外。
100:製程流 102:核心層 102a:核心層之第一表面 102b:核心層之第二表面 104a:第一包覆層 104b:第二包覆層 106:玻璃至玻璃結合材料 108:玻璃蓋 108a:玻璃蓋之第一表面 108b:玻璃蓋之第二表面 110:孔 112:微流體通道 200:兩通道微流體裝置 202:微流體通道 204:入口 206:出口 208:結合區 300:未圖案化之微流體裝置 310:蓋玻璃 320:三層底部玻璃基板 330:核心層 340:包覆層 350:結合層 360:入口 370:出口 380:預先蝕刻之通道 400:單側圖案化微流體裝置 410:蓋玻璃 420:底部玻璃基板 480:預先蝕刻之通道 490:經奈米圖案化特徵 500:雙側圖案化微流體裝置 510:蓋玻璃 520:底部玻璃基板 580:預先蝕刻之通道 590:經奈米圖案化特徵 595:經奈米圖案化特徵
第1A圖至第1D圖描繪根據一些實施例的用於微流體裝置之製造之製程流。
第2圖圖示根據一些實施例的兩通道化微流體裝置之平面圖示意圖。
第3圖圖示根據一些實施例的沿著一流槽之通道方向之橫截面示意圖。
第4圖圖示根據一些實施例的沿著一單側圖案化流槽之通道方向之橫截面示意圖。
第5圖圖示根據一些實施例的沿著一雙側圖案化流槽之通道方向之橫截面示意圖。
第6圖圖示根據一些實施例的一蓋玻璃表面傾斜或斜度之最小、最大、平均及標準偏差之盒鬚圖。
第7A圖及第7B圖圖示根據一些實施例的經加強之薄蓋玻璃基板之自發螢光。
第8圖為根據一些實施例的具有安置於基於玻璃之基板中之十四個個別通道的156 mm2 基於玻璃之基板晶圓之相片。
第9A圖至第9C圖圖示根據一些實施例的如使用雷射干涉儀成像的安置於如在第8圖中展示之基於玻璃之基板中的兩個通道之資料。具體言之，第9A圖展示一假色影像，其展示兩個通道之深度；第9B圖為第9A圖中之通道A的通道底板表面傾斜或斜度之散佈圖；且第9C圖為通道底板表面傾斜或斜度之最小、最大、平均及標準偏差之盒鬚圖。
第10圖為根據一些實施例的如在第8圖中的156 mm2 基於玻璃之基板晶圓之相片，其中每一通道底板表面具有一經圖案化的奈米井陣列。
第11圖圖示根據一些實施例的在於第10圖中展示的基於玻璃之基板之通道底板表面中之一者上的經圖案化奈米井陣列之掃描電子顯微(scanning electron microscopic，SEM)影像。
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100:製程流
102:核心層
102a:核心層之第一表面
102b:核心層之第二表面
104a:第一包覆層
104b:第二包覆層
106:玻璃至玻璃結合材料
108:玻璃蓋
108a:玻璃蓋之第一表面
108b:玻璃蓋之第二表面
110:孔
112:微流體通道

Claims (28)

  1. 一種微流體裝置，其包含： 一流動通道，其安置於一基於玻璃之基板中；及一蓋，其結合至該基於玻璃之基板且至少部分覆蓋該流動通道，其中該蓋具有至多200 µm之一厚度。
  2. 如請求項1所述之微流體裝置，進一步包含： 一入口開口，其穿過該基於玻璃之基板或該蓋中之至少一者且與該流動通道流體連通；及 一出口開口，其穿過該基於玻璃之基板或該蓋中之至少一者且與該流動通道流體連通。
  3. 如請求項1所述之微流體裝置，其中： 一第一基於玻璃之層界定該流動通道之一底板； 一第二基於玻璃之層界定該流動通道之側壁；且 該蓋界定該流動通道之一頂板。
  4. 如請求項1所述之微流體裝置，其中該蓋具有在100 µm至180 µm之一範圍中的一厚度。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之微流體裝置，其中該蓋包含： 在56莫耳%至72莫耳%之一範圍中的SiO2 ； 在5莫耳%至22莫耳%之一範圍中的Al2 O3 ； 在0莫耳%至15莫耳%之一範圍中的B2 O3 ； 在3莫耳%至25莫耳%之一範圍中的Na2 O； 在0莫耳%至5莫耳%之一範圍中的K2 O； 在1莫耳%至6莫耳%之一範圍中的MgO； 在0莫耳%至1莫耳%之一範圍中的SnO2 。
  6. 如請求項5所述之微流體裝置，其中該蓋進一步包含： 在0莫耳%至7莫耳%之一範圍中的Li2 O；及 在0莫耳%至10莫耳%之一範圍中的P2 O5 。
  7. 如請求項5所述之微流體裝置，其中該蓋進一步包含： 在0莫耳%至3莫耳%之一範圍中的CaO；及 在0莫耳%至2莫耳%之一範圍中的ZrO2 。
  8. 如請求項7所述之微流體裝置，其中該蓋進一步包含： 在0莫耳%至6莫耳%之一範圍中的ZnO。
  9. 如請求項1至4中任一項所述之微流體裝置，其中該蓋經配置以具有與純矽石基板之自發螢光一樣低的在400 nm至750 nm之一波長範圍中之一自發螢光。
  10. 如請求項1至4中任一項所述之微流體裝置，其中該蓋經配置以具有至多約100 nm/mm之一平均表面傾斜或斜度，其係使用一雷射干涉儀量測。
  11. 如請求項10所述之微流體裝置，其中該平均表面傾斜或斜度為至多約50 nm/mm。
  12. 如請求項1至4中任一項所述之微流體裝置，其中該蓋經配置以具有至多約10 nm/um2 之一表面粗糙度。
  13. 如請求項12所述之微流體裝置，其中該表面粗糙度為至多約5 nm/um2 。
  14. 如請求項1至4中任一項所述之微流體裝置，其中該蓋在一結合容積處結合至該基於玻璃之基板，該結合容積包含擴散至該基於玻璃之基板及該蓋中之每一者內的一結合材料。
  15. 如請求項1至4中任一項所述之微流體裝置，包含安置於該基於玻璃之基板與該蓋之間的一結合層。
  16. 如請求項15所述之微流體裝置，其中該結合層包含一金屬。
  17. 如請求項16所述之微流體裝置，其中該金屬包含以下中之一或多種：金、鉻、鈦、鎳、銅、鋅、鈰、鉛、鐵、釩、錳、鎂、鍺、鋁、鉭、鈮、錫、銦、鈷、鎢、鐿、鋯或其一氧化物或其一組合。
  18. 如請求項15所述之微流體裝置，其中該結合層包含一聚合物碳黑複合薄膜。
  19. 如請求項1至4中任一項所述之微流體裝置，其中該微流體裝置為用於DNA測序之一流槽。
  20. 如請求項1至4中任一項所述之微流體裝置，其中該底板通道之一表面、該蓋之一表面或兩者包含一經圖案化之奈米結構的陣列。
  21. 一種玻璃組成物，包含： 在56莫耳%至72莫耳%之一範圍中的SiO2 ； 在5莫耳%至22莫耳%之一範圍中的Al2 O3 ； 在0莫耳%至15莫耳%之一範圍中的B2 O3 ； 在3莫耳%至25莫耳%之一範圍中的Na2 O； 在0莫耳%至5莫耳%之一範圍中的K2 O； 在1莫耳%至6莫耳%之一範圍中的MgO； 在0莫耳%至1莫耳%之一範圍中的SnO2 。
  22. 如請求項21所述之玻璃組成物，進一步包含： 在0莫耳%至7莫耳%之一範圍中的Li2 O；及 在0莫耳%至10莫耳%之一範圍中的P2 O5 。
  23. 如請求項21所述之玻璃組成物，進一步包含： 在0莫耳%至3莫耳%之一範圍中的CaO；及 在0莫耳%至2莫耳%之一範圍中的ZrO2 。
  24. 如請求項23所述之玻璃組成物，進一步包含： 在0莫耳%至6莫耳%之一範圍中的ZnO。
  25. 如請求項21所述之玻璃組成物，經配置以具有至少600 MPa之一強度。
  26. 如請求項21所述之玻璃組成物，經配置以具有至少1.50之一折射率。
  27. 一種加強如請求項21至26中任一項所述之玻璃組成物之方法，包含以下步驟： 用具有一第二大小之一第二鹼金屬陽離子置換具有一第一大小之一第一鹼金屬陽離子， 其中該第二大小大於該第一大小，且 其中該玻璃組成物經配置以在該置換前具有在100 MPa與200 MPa之一範圍中之一強度，且在置換後具有至少600 MPa之一強度。
  28. 如請求項27所述之方法，其中該第一鹼金屬陽離子為一鋰陽離子或一鈉陽離子中之至少一者，且其中該第二鹼金屬陽離子為一鈉陽離子或一鉀陽離子中之至少一者。
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