TWI464398B - 絞線式微流體導引系統 - Google Patents

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Description

絞線式微流體導引系統
本發明係關於一種微流體導引系統，特別是關於一種利用絞線導引微流體流動之微流體導引系統。
傳統微流道(microfluidic channel)系統大多是先在玻璃或透明塑膠等材料製成之一基板的表面上利用繁複之顯影蝕刻製程技術蝕刻出凹槽狀之微流道，再以另一基板覆蓋其上而組裝成一微流道系統之基本架構。這類型的微流道系統被廣泛應用做為光學、電化學及電化學電泳分析檢測之載台。
舉例來說，中華民國公告第I294968號揭示一種生物電性檢測晶片，其包含一晶片本體、一第一微管道、一第二微管道及一對偵測電極。該第一微管道、第二微管道及偵測電極設置於該晶片本體上，且該第一微管道及第二微管道貫穿於該晶片本體中。該第一微管道連通至該第二微管道，該第一微管道用以流通一樣本液，該第二微管道則用以流通一緩衝液。該第二微管道兩側設置該偵測電極，以便進行非接觸式電泳分析。
然而，上述現有基板內之凹槽狀微流道之缺點在於：微流體之表面張力或黏滯性會影響微流體之毛細作用及沿微流道管壁流動的速度，其中表面張力或黏滯性愈大，微流體在管壁上的附著力愈大，流動時間也愈久，因而容易發生流動性不佳的問題。再者，若凹槽狀微流道中之微流體被施加電壓進行毛細管電泳等電化學分析作業時，微流體也容易在凹槽狀微流道中產生焦耳熱效應，因而影響多種背景參數及實驗結果的準確性。另外，當更改實驗目的時，凹槽狀微流道之形狀也需重新以繁複之顯影蝕刻製程技術加以製作，因此其整體分析檢測成本也相對較高。
因此，有必要提供一種改良式之微流體導引系統，以解決習用凹槽狀微流道結構所存在的技術問題。
本發明之主要目的在於提供一種絞線式微流體導引系統，其係在基板之表面上佈設二條纖維線做為實體導引路徑，纖維線本身具有毛細管特性，能使微流體沿著纖維線之纖維表面流動；纖維線可應用於電化學電泳等分析檢測，並能有效的將熱能輻射至空氣中而減少焦耳熱效應對實驗結果之影響；同時，該纖維線之線材成本相對較低，且易於重新佈設或調整佈局圖案，因此確實有利於簡化系統構造、降低製作成本及加速檢測作業。
本發明之次要目的在於提供一種絞線式微流體導引系統，其係利用電漿處理纖維線來使其纖維表面變得較為平滑且容易被微流體吸附及沿其表面流動，因而使纖維線可做為一良好的實體導引路徑，故能相對提升纖維線的親水性、吸濕性及偵測靈敏度。
本發明之另一目的在於提供一種絞線式微流體導引系統，其係在纖維線之兩端分別設置一捲軸，以分別供應備用之纖維線及捲繞回收已使用之纖維線，因而可相對提高更換纖維線之便利性。
為連上述之目的，本發明提供一種絞線式微流體導引系統，其包含：一基板；一第一纖維線，設置在該基板上，並依序具有一樣本液注入端、一樣本液輸送段、一第一轉折部、一混合液輸送段及一第一廢液端，其中該樣本液輸送段由該第一轉折部轉折連接該混合液輸送段；一第二纖維線，設置在該基板上，並依序具有一緩衝液注入端、一緩衝液輸送段、一第二轉折部、一廢液輸送段及一第二廢液端，其中該緩衝液輸送段由該第二轉折部轉折連接該廢液輸送段，且該第一轉折部與該第二轉折部相交及接觸；以及一偵測電極，設置在該基板上，接觸該混合液輸送段，以形成一偵測區，該偵測區靠近該第一廢液端。
在本發明之一實施例中，該第一及第二纖維線分別具有1至100股之纖維。
在本發明之一實施例中，該第一及第二纖維線之直徑分別介於10至200微米之間。
在本發明之一實施例中，該第一及第二纖維線分別具有一經由電漿處理之纖維表面。
在本發明之一實施例中，該第一及第二纖維線之纖維分別選自聚酯(polyester)纖維、尼龍(nylon)纖維、聚亞醯胺(polyimide)纖維或鐵氟龍(teflon)纖維。
在本發明之一實施例中，該第一纖維線在該樣本液注入端另設有一第一供線捲軸；以及在該第一廢液端另設有一第一收線捲軸。
在本發明之一實施例中，該第二纖維線在該緩衝液注入端另設有一第二供線捲軸；以及在該第二廢液端另設有一第二收線捲軸。
在本發明之一實施例中，另包含一輔助電極，其接觸該混合液輸送段，靠近該偵測電極，並位於該偵測電極與第一廢液端之間。
在本發明之一實施例中，另包含一參考電極，其接觸該混合液輸送段，並位於該偵測電極與輔助電極之間。
在本發明之一實施例中，另包含一去耦合電極，其接觸該混合液輸送段，靠近該偵測電極，並位於該第一轉折部與偵測電極之間。
在本發明之一實施例中，該基板係由玻璃或透明塑膠製成，該透明塑膠選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基矽氧烷或聚碳酸酯。
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「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1圖所示，本發明較佳實施例之絞線式微流體導引系統係可應用於電化學分析檢測、螢光標定分析偵測或其他使用微流道進行之生物性分析檢測的領域。在本實施例中，本發明之絞線式微流體導引系統例如係應用在電化學電泳之分析檢測作業。該絞線式微流體導引系統主要包含一基板10、一第一纖維線(fiber thread)11、一第二纖維線12、一偵測電極(working electrode)13、一輔助電極(counter electrode)14、一參考電極(reference electrode)15及一去耦合電極(decoupler electrode)16。本發明將於下文利用第1至4B圖逐一詳細說明較佳實施例之上述各元件的細部構造、組裝關係及其運作原理。
請參照第1圖所示，本發明較佳實施例之基板10係由玻璃或透明塑膠製成，該透明塑膠選自聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate)，PMMA)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)或聚碳酸酯(polycarbonate，PC)，但並不限於此。該基板10之形狀可以是矩形、方形、圓形或其他幾何形狀或特殊設計形狀，及其長度及寬度分別可介於10至200mm(毫米)。在本實施例中，例如可使用一矩形之PMMA板來製作該基板10，其長度及寬度例如為60×20mm。
再者，該基板10可使用微熱壓成形(micro hot embossing)或其他方式在其一表面(上表面)分批或同時形成數個電性接點101、102、103、104以及該偵測電極13、輔助電極14、參考電極15及去耦合電極16，其中除了該參考電極15之材質為鉑(Pt)之外，其餘之電性接點101-104及其他電極13、14、16之材質皆為金(Au)，但並不限於此。上述電性接點101-104及各電極13-16之厚度則未加以限制。
請再參照第1圖所示，本發明較佳實施例之第一纖維線11較佳具有1至100股之纖維，例如可直接使用單股纖維，或是使用由雙股、5、10、20、25、50、75、80或100股之纖維交錯編織而成之纖維線。該第一纖維線11之直徑係可介於10至200微米之間，較佳是介於10至50微米之間，但並不限於此。再者，該第一纖維線11之纖維可以選自聚酯(polyester)纖維、尼龍(nylon)纖維、聚亞醯胺(polyimide)纖維或鐵氟龍(teflon)纖維，且較佳是選自聚酯纖維，其玻璃轉化溫度大於190℃，故相對較能符合電化學電泳時之高溫作業的材料穩定度需求。
請另參照第2A及2B圖所示，其分別揭示本發明未經或經由電漿處理之纖維線(對照組及實驗組，線徑200微米)之纖維表面的表面形態。本發明例如可使用一氧氣電漿系統(110W)來對該第一纖維線11之纖維表面進行電漿處理(10分鐘，50-55℃)。由第2A及2B圖之比對結果可知，該第一纖維線11之纖維表面利用電漿處理後(第2B圖)，可使其表面變得較為平滑且容易被微流體吸附及沿其表面流動，因而使該第一纖維線11可做為一良好的實體導引路徑，故能相對提升該第一纖維線11的親水性、吸濕性及偵測靈敏度。值得注意的是，為確保其親水性及吸濕性不隨時間而衰減，較佳係在進行電化學電泳之前，才對該第一纖維線11之纖維表面進行電漿處理。
請再參照第1圖所示，本發明較佳實施例之第二纖維線12之纖維股數、直徑、材質係實質相同於上述第一纖維線11之之纖維股數、直徑、材質，且該第二纖維線12較佳亦具有一經由電漿處理之纖維表面。
請再參照第1圖所示，在組裝關係上，該第一纖維線11及第二纖維線12係以90度十字相交轉折方式組裝於該基板10上，或亦可以其他銳角或鈍角之角度形成相交。該第一纖維線11依序具有一第一供線捲軸(bobbin/roller)110、一樣本液注入端111、一樣本液輸送段112、一第一轉折部113、一混合液輸送段114、一第一廢液端115及一第一收線捲軸116，同時該第二纖維線12則依序具有一第二供線捲軸120、一緩衝液注入端121、一緩衝液輸送段122、一第二轉折部123、一廢液輸送段124、一第二廢液端125及一第二收線捲軸126。
更詳言之，該第一供線捲軸110係捲繞有數匝未經使用之第一纖維線11，並可搭配使用一微型電動馬達，以提供自動供線功能。該第一供線捲軸110上之第一纖維線11直接由該基板10之一長側邊(前側邊)延伸到該基板10上，該基板10在靠近該長側邊之唇緣附近設置有該電性接點101，該第一纖維線11接觸該電性接點101之部位係定義為該樣本液注入端111，其中一帶有待鑑定物之樣本液(未繪示)可被滴定於該樣本液注入端111。該第一纖維線11由該樣本液注入端111開始沿著該基板10之寬度方向延伸一段預定距離，並到達該第一轉折部113處與該第二纖維線12相交及接觸，其中該第一纖維線11由該樣本液注入端111至該第一轉折部113之間的線段係定義為該樣本液輸送段112。
接著，該第一纖維線11由該第一轉折部113處形成90度角轉折後，改而沿著該基板10之長度方向延伸一段預定距離，並到達該第一廢液端115處與該基板10上之另一電性接點104相接觸，其中該第一纖維線11由該第一轉折部113至該第一廢液端115之間的線段係定義為該混合液輸送段114。最後，該第一纖維線11由該第一廢液端115向該基板10外延伸，離開該基板10之一短側邊(右側邊)，並最終被回收到該第一收線捲軸116上。該第一收線捲軸116並可搭配使用一微型電動馬達，以提供自動收線功能。
另一方面，相似的，該第二供線捲軸120係捲繞有數匝未經使用之第二纖維線12，並可搭配使用一微型電動馬達，以提供自動供線功能。該第二供線捲軸120上之第二纖維線12直接由該基板10之另一短側邊(左側邊)延伸到該基板10上，該基板10在靠近該短側邊之唇緣附近設置有該電性接點103，該第二纖維線12接觸該電性接點103之部位係定義為該緩衝液注入端121，其中一緩衝液(未繪示)可被滴定於該緩衝液注入端121。該第二纖維線12由該緩衝液注入端121開始沿著該基板10之長度方向延伸一段預定距離，並到達該第二轉折部123處與該第一纖維線11相交及接觸，其中該第二纖維線12由該緩衝液注入端121至該第二轉折部123之間的線段係定義為該緩衝液輸送段122。
接著，該第二纖維線12由該第二轉折部123處形成90度角轉折後，改而沿著該基板10之寬度方向延伸一段預定距離，並到達該第二廢液端125處與該基板10上之另一電性接點102相接觸，其中該第二纖維線12由該第二轉折部123至該第二廢液端125之間的線段係定義為該廢液輸送段124。最後，該第二纖維線12由該第二廢液端125向該基板10外延伸，離開該基板10之另一長側邊(後側邊)，並最終被回收到該第二收線捲軸126上。該第二收線捲軸126並可搭配使用一微型電動馬達，以提供自動收線功能。
請再參照第1圖所示，本發明較佳實施例之去耦合電極16、偵測電極13、參考電極15及輔助電極14係由左向右依序排列在該基板10上靠近該第一廢液端115之部位，且各自接觸該混合液輸送段114，且任二相鄰電極之間的距離皆控制在約10mm左右，且各電極13-16接觸該混合液輸送段114處的電極寬度約為500μm(微米)，但並不限於此。該偵測電極13亦稱為工作電極。該輔助電極14亦稱為對電極，其位於該偵測電極13與第一廢液端115之間，該參考電極15位於該偵測電極13與輔助電極14之間，及該去耦合電極16位於該第一轉折部113與偵測電極13之間。
在電極功能方面，該電性接點101、102、103、104分別接觸該第一纖維線11之樣本液注入端111、該第二纖維線12之第二廢液端125、該第二纖維線12之緩衝液注入端121以及該第一纖維線11之第一廢液端115。該電性接點101、102可分別連接一電源供應器之負極及正極(或相反設置)，同時該電性接點103、104亦分別連接該電源供應器之負極及正極(或相反設置)。藉此，可在該樣本液注入端111至該第二廢液端125之間形成一分離電場(例如+0.78V，300~400 V/cm)，以及在該緩衝液注入端121至該第一廢液端115之間形成另一分離電場(例如+0.78V，300~400 V/cm)。
再者，該些電極13-16可以分別電性連接至一電流量測單元(未繪示)，其中該偵測電極13(工作電極)與該混合液輸送段114接觸的部位形成一偵測區(未標示)，該偵測電極13係可偵測沿該混合液輸送段114流經該偵測區之混合液中的離子(如Cl- 、Br- 、I- 等)所造成的電流值。該輔助電極14用以施加一電壓值(例如-1.0~+1.0V)至該混合液輸送段114上的混合液。該參考電極15之材質(Pt)具有極大的電阻，只能允許極小量電流通過來維持電位，因此有利於精確得知及控制該輔助電極14實際施加之電壓值，以穩定控制施予該偵測電極13之電位，進而確保後續進行電流/電壓數值分析時之正確性。該去耦合電極16則用來在上述偵測區之前構成一個導電區，使得分離電場之電壓在到達此偵測區時迅速下降，以避免降低離子分離度。
當被分離的電化學物質(如離子)沿該混合液輸送段114流經該偵測電極13之電極表面時，由於混合液與該偵測電極13之間有電位差，因此混合液中之電活性物質(離子)將被氧化或還原，並在混合液與電極之間形成微弱電流。該電流符合法拉第定律，與被分析物質之濃度成正比。該微弱電流經放大器檢測，可記錄其隨時間變化情况即可得到電泳之電流變化曲線圖。
請參照第3A及第3B圖所示，第3A圖揭示本發明使用未經或經由電漿處理之纖維線(對照組及實驗組)偵測含赤血鹽(K3 Fe(CN)6 )之混合液所測得之樣本濃度與電流之曲線圖；第3B圖則揭示對照組及實驗組之分離電場電壓與電流之曲線圖。
在以第1圖之絞線式微流體導引系統進行檢測時，首先係將含赤血鹽之樣本液(濃度100mM)滴定在該第一纖維線11之樣本液注入端111上，並將一MES緩衝液(濃度0.1mM)滴定在該第二纖維線12之緩衝液注入端121上。接著，使該電性接點101-104分別連接一電源供應器，以便在該樣本液注入端111至該第二廢液端125之間形成一分離電場(例如+0.78V，300~400 V/cm)，以及在該緩衝液注入端121至該第一廢液端115之間形成另一分離電場(例如+0.78V，300~400 V/cm)。
在毛細管作用及分離電場作用之驅動下，該赤血鹽樣本液沿著該樣本液輸送段112之表面流動至該第一轉折部113，該緩衝液沿著該緩衝液輸送段122流動至該第二轉折部123。在該第一轉折部113及第二轉折部123之相交接觸區，該赤血鹽樣本液將與該緩衝液相混合，並產生含赤血鹽之混合液再沿該混合液輸送段114朝向該第一廢液端115流動，以及另產生一廢液沿該廢液輸送段124朝向該第二廢液端125流動。
因此，該偵測電極13即可偵測到沿該混合液輸送段114流經該偵測區之混合液中的離子(CN- )所造成的電流值。依相同方法對各種濃度(10μM至100mM)之赤血鹽樣本液進行電流值偵測，即可繪製得到第3A圖之結果，其中二條電流趨勢線21及22分別使用未經電漿處理之纖維線(對照組)及經由電漿處理之纖維線(本發明實驗組)。若在相同濃度下，改變分離電場之電壓值(+1.0~-1.0V)，並進行電流值偵測，即可繪製得到第3B圖之結果，其中一組氧化還原電流曲線31係使用未經電漿處理之纖維線(對照組)，同時另一組氧化還原電流曲線32係使用經由電漿處理之纖維線(本發明實驗組)。由第3A及3B圖可得知使用經由電漿處理之纖維線(本發明實驗組)確實有利於測得較強之電流訊號強度。
另外，請參照第4A及4B圖所示，其分別揭示本發明使用未經或經由電漿處理之纖維線(對照組及實驗組)偵測含氯、溴、碘離子(Cl- 、Br- 、I- )之混合液所測得之時間與電流之曲線圖。在此，使用與上述第3A圖相似之方法步驟，僅將樣本液改為含氯化鉀(0.3mM KCl)、溴化鈉(0.3mM NaBr)及碘化鈉(0.3mM NaI)之樣本液，以比對該對照組及實驗組在不同時間點偵測到之各離子(Cl- 、Br- 、I- )之電流值強度。由結果可知，第4A圖之對照組雖具有優良之離子分離偵測能力，但其電流訊號強度不足，且各離子(Cl- 、Br- 、I- )之訊噪比(3、6、2.4)仍偏低；第4B圖之本發明實驗組不但具有優良之離子分離偵測能力，且其電流訊號強度足夠，且各離子(Cl- 、Br- 、I- )之訊噪比(29.5、32、17.5)有顯著提升。
如上所述，相較於習用凹槽狀微流道結構所存在的流動性、焦耳熱效應以及製程繁複等問題，第1圖之本發明係在基板之表面上佈設二條纖維線做為實體導引路徑，纖維線本身具有毛細管特性，能使微流體沿著纖維線之纖維表面流動；纖維線可應用於電化學電泳等分析檢測，並能有效的將熱能輻射至空氣中而減少焦耳熱效應對實驗結果之影響；同時，該纖維線之線材成本相對較低，且易於重新佈設或調整佈局圖案，因此確實有利於簡化系統構造、降低製作成本及加速檢測作業。
再者，本發明係利用電漿處理纖維線來使其纖維表面變得較為平滑且容易被微流體吸附及沿其表面流動，因而使纖維線可做為一良好的實體導引路徑，故能相對提升纖維線的親水性、吸濕性及偵測靈敏度。另外，本發明也可在纖維線之兩端分別設置一捲軸，以分別供應備用之纖維線及捲繞回收已使用之纖維線，因而可相對提高更換纖維線之便利性。
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．．．基板
101．．．電性接點
102．．．電性接點
103．．．電性接點
104．．．電性接點
11．．．第一纖維線
110．．．第一供線捲軸
111．．．樣本液注入端
112．．．樣本液輸送段
113．．．第一轉折部
114．．．混合液輸送段
115．．．第一廢液端
116．．．第一收線捲軸
12．．．第二纖維線
120．．．第二供線捲軸
121．．．緩衝液注入端
122．．．緩衝液輸送段
123．．．第二轉折部
124．．．廢液輸送段
125．．．第二廢液端
126．．．第二收線捲軸
13．．．偵測電極
14．．．輔助電極
15．．．參考電極
16．．．去耦合電極
21．．．電流趨勢線
22．．．電流趨勢線
31．．．氧化還原電流曲線
32．．．氧化還原電流曲線
Cl- ．．．氯離子
Br- ．．．溴離子
I- ．．．碘離子
第1圖：本發明較佳實施例之絞線式微流體導引系統之立體示意圖。
第2A及2B圖：本發明未經電漿處理或經由電漿處理之纖維線(對照組及實驗組，線徑200微米)之纖維表面的表面形態之照相圖。
第3A圖：本發明使用未經電漿處理或經由電漿處理之纖維線(實驗組及對照組)偵測赤血鹽混合液所測得之樣本濃度與電流之曲線圖。
第3B圖：本發明使用未經電漿處理或經由電漿處理之纖維線(實驗組及對照組)偵測赤血鹽混合液所測得之分離電場電壓與電流之曲線圖。
第4A及4B圖：本發明使用未經電漿處理或經由電漿處理之纖維線(對照組及實驗組)偵測含氯、溴、碘離子之混合液所測得之時間與電流之曲線圖。
10．．．基板
101．．．電性接點
102．．．電性接點
103．．．電性接點
104．．．電性接點
11．．．第一纖維線
110．．．第一供線捲軸
111．．．樣本液注入端
112．．．樣本液輸送段
113．．．第一轉折部
114．．．混合液輸送段
115．．．第一廢液端
116．．．第一收線捲軸
12．．．第二纖維線
120．．．第二供線捲軸
121．．．緩衝液注入端
122．．．緩衝液輸送段
123．．．第二轉折部
124．．．廢液輸送段
125．．．第二廢液端
126．．．第二收線捲軸
13．．．偵測電極
14．．．輔助電極
15．．．參考電極
16．．．去耦合電極
Cl- ．．．氯離子
Br- ．．．溴離子
I- ．．．碘離子

Claims (10)

  1. 一種絞線式微流體導引系統，其包含：一基板；一第一纖維線，設置在該基板上，並依序具有一樣本液注入端、一樣本液輸送段、一第一轉折部、一混合液輸送段及一第一廢液端，其中該樣本液輸送段由該第一轉折部轉折連接該混合液輸送段；一第二纖維線，設置在該基板上，並依序具有一緩衝液注入端、一緩衝液輸送段、一第二轉折部、一廢液輸送段及一第二廢液端，其中該緩衝液輸送段由該第二轉折部轉折連接該廢液輸送段，且該第一轉折部與該第二轉折部相交及接觸；以及一偵測電極，設置在該基板上，接觸該混合液輸送段，以形成一偵測區，該偵測區靠近該第一廢液端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之絞線式微流體導引系統，其中該第一及第二纖維線分別具有1至100股之纖維。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之絞線式微流體導引系統，其中該第一及第二纖維線之直徑分別介於10至200微米之間。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之絞線式微流體導引系統，其中該第一及第二纖維線分別具有一經由電漿處理之纖維表面。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之絞線式微流體導引系統，其中該第一及第二纖維線之纖維分別選自聚酯纖維、尼龍纖維、聚亞醯胺纖維或鐵氟龍纖維。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之絞線式微流體導引系統，其中該第一纖維線在該樣本液注入端另設有一第一供線捲軸；以及在該第一廢液端另設有一第一收線捲軸。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之絞線式微流體導引系統，其中該第二纖維線在該緩衝液注入端另設有一第二供線捲軸；以及在該第二廢液端另設有一第二收線捲軸。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之絞線式微流體導引系統，另包含一輔助電極，其接觸該混合液輸送段，靠近該偵測電極，並位於該偵測電極與第一廢液端之間。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之絞線式微流體導引系統，另包含一參考電極，其接觸該混合液輸送段，並位於該偵測電極與輔助電極之間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之絞線式微流體導引系統，另包含一去耦合電極，其接觸該混合液輸送段，靠近該偵測電極，並位於該第一轉折部與偵測電極之間。
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