TWI511790B - 具有電極陣列的微流道元件 - Google Patents

Description

具有電極陣列的微流道元件

本發明是有關於一種微流道元件，特別是指一種用於分離流體中不同種類的微粒，以進行生化及生物分子檢測的具有電極陣列的微流道元件。

系統晶片(Lab on Chip)一直是許多研究團隊致力研析的目標之一，其概念是微縮不同功能的元件於單一晶片上而成系統晶片以執行複合功能，特別是對於醫學檢測及化學分析的研究領域而言，更希望能達到在單一系統晶片上完成樣品準備(sample preparation)和樣品檢測的功能，以改善現在光是在樣品準備上，就存在的例如操作儀器龐大且專業，同時處理步驟繁複的困擾。

近年來，微流道(microfluidic)技術被廣泛地應用於系統晶片的概念中，而成為同時可以完成樣品準備和樣品檢測功能的微流道元件(microfluidic device)。然而，目前微流道元件在用於處理樣品時，仍需要例如針筒幫浦等額外的流體致動儀器，以輔助流體的運動；此外，目前的微流道元件仍以單功能樣品準備平台為設計概念，缺乏同時準備許多不同粒子的操控功能(例如：粒子分離、液體 混合、粒子排序、粒子聚集等等)，同時仍須要增加執行區域尺寸才能換得更高的效率。因此，微流道元件仍須要進行改善，才能真正成為能執行複合功能的系統晶片。

因此，本發明之目的，即在提供一種能藉由交流電頻率、電壓、電極陣列精確控制流場中不同粒子位置的具有電極陣列的微流道元件。

於是本發明一種具有電極陣列的微流道元件，包含一元件本體，及一電極陣列。

該元件本體具有至少一微流道。該電極陣列形成於該元件本體並具有多數電極，該等電極彼此間隔地對應該微流道的一中心點成放射狀排列，且每一電極的寬度自該中心點沿其放射方向向外漸增。

本發明之功效在於：藉由每一寬度向外漸增的電極並成輻射狀排列而成的電極陣列，在施加交流電時，能形成特定的行進波電滲泳(Travelling wave electroosmosis)流場，流體角速度也會隨之改變，而能操縱流體中粒子的方向，同時，在空間中生成不均勻的電場以及使粒子受到極化現象，使粒子受到介電泳力(Dielectrophoresis)和行進波介電泳(Travelling wave Dielectrophoresis)以操控粒子的行為，進而完成不同樣品的準備。

1‧‧‧元件本體

11‧‧‧微流道

111‧‧‧容室

112‧‧‧注入口

113‧‧‧通道

2‧‧‧電極陣列

21‧‧‧電極

3‧‧‧中心點

4‧‧‧起始點

5‧‧‧集聚環狀區

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明具有電極陣列的微流道元件的一較佳實施例；圖2是一示意圖，輔助圖1說明本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例的電極，以及一假想粒子對應的受力狀況，其中，F_S 表誘發剪切應力(shear stress-induced force)，F_L 表因介電泳力於z方向產生的懸浮力，F_D 表在徑向的介電泳力；圖3是一示意圖，說明本發明具有電極陣列的微流道元件的電極陣列還可以是每一電極成扇形態樣，且該電極陣列亦成扇型態樣的構造；圖4是一示意圖，說明本發明具有電極陣列的微流道元件的電極陣列還可以是每一電極成梯形態樣，且該電極陣列亦成扇型態樣的構造；圖5是一幾何模擬模型圖，說明本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例的四電極的相位；圖6是一關係圖，說明本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例中的U_θ (average pumping velocity along theangular direction)和R(電極沿放射方向的長度)的關係；圖7是一關係圖，說明本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例中，沿R_z 平面的流速分佈的切面狀態(cross section of flow velocity distribution on radius-height (R_z )plan)； 圖8是一示意圖，說明粒子位於本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例的一容室中時受作用運動的軌跡；圖9是一幾何模擬模型圖，說明本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例的二電極的相位；圖10是一關係圖，說明本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例中，如圖9所示的二電極的在角方向(angular direction)的電場E_θ 與徑向(radial direction)的電場E_r ；圖11是一關係圖，說明本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例中，沿徑向R(電極沿放射方向的長度)的電場平方的梯度變化；圖12是一實際實驗結果圖，說明於本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例中，注入包含15μm聚苯乙烯微粒的流體，並施加1.2V、2.5KHz交流電時，在70秒內，聚苯乙烯微粒(圖中綠色亮點)因行進波電滲泳、介電泳和行進波介電泳三種電影響而被作用集中至近容室中心點；圖13是一實際實驗結果圖，說明於本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例中，注入包含1μm聚苯乙烯微粒的流體，並施加1.2V、2.5KHz交流電時，在475秒內，聚苯乙烯微粒(圖中綠色亮點)因行進波電滲泳、介電泳和行進波介電泳三種電影響而被作用集中至電極陣列外緣處； 圖14是一實際實驗結果圖，說明於本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例中，注入包含1μm、15μm聚苯乙烯微粒的流體，並施加1.2V、2.5KHz交流電時，原本隨機分佈的1μm和15μm聚苯乙烯微粒，約有81.0%的1μm聚苯乙烯微粒(圖中紅色亮點)被作用至對應於電極陣列2最外緣處(約380~400μm)，如a部分所示，約有94.4%的15μm聚苯乙烯微粒則被作用至對應於電極陣列2最內緣(約100μm)處，如b部分所示；及圖15是一實際實驗結果圖，說明於本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例中，注入包含1μm、6μm聚苯乙烯微粒的流體(1μm和6μm聚苯乙烯微粒的比例約為300：1)，並施加1.2V、2.5KHz交流電時，1μm聚苯乙烯微粒(圖中紅色亮點)被作用至對應電極陣列2最外緣處，如a部分所示，6μm聚苯乙烯微粒(圖中綠色亮點，箭頭標示處)則被作用至對應電極陣列2內緣，如b部分所示，。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1與圖2，本發明具有電極陣列的微流道元件的一較佳實施例包含一元件本體1，及一電極陣列2，適用於驅動流體流動，以及令流體中不同的微粒亦被驅動分離，而完成樣品準備和樣品檢測等功能。

該元件本體1大致成矩形薄片態樣，具有至少 一容置含有不同粒子的流體的微流道11，在此，繪示一微流道11，且該微流道11包括一圓柱形容室111、二成對稱地分佈於該容室111二側的注入口112，及二條分別連通該二注入口112與容室111的通道113作說明。

該電極陣列2形成於該元件本體1底部並具有多數電極21，該等電極21彼此間隔地對應該微流道11的一中心點3(即該圓柱形容室111正投影的圓心)成放射狀環形排列，且每一電極21的寬度自該中心點3沿其放射方向向外漸增，同時，任一電極21的一靠近該中心點3的短邊，及遠離該中心點3的長邊的投影均落在以該中心點3為圓心所成的圓的圓周上。在本例中以64支電極等間隔排列成放射狀環形，每支電極短邊為5μm、二電極的短邊間距亦為5μm(因極短，可視為直線)，每一電極長度為300μm作說明。

當自該二注入口112其中任一將含有不同粒子的流體注入該容室111，並自該電極陣列2施加預定頻率的交流電時，由於該等電極21成圓環形排列而令該容室111的流體形成對應的圓環形行進波電滲泳的流場，同時因為每一電極21的寬度沿其放射方向向外漸增，也就是電極21間的間距隨著半徑而改變，因此流體的角速度在徑向上也隨之對應改變，因此於流場中在垂直於角速度的方向上生成誘發剪切應力(shear stress-induced force)；此外，也由於電極21間的間距隨著半徑而改變，因此在施加預定頻率的交流電時，也會對應於容室111生成非單調均一且分布於 角方向上的電場分布，因此在垂直於角方向的方向上會有電場梯度而生成介電泳效應，令流場中的粒子受到介電泳力的作用而改變運動行為；同時，由於在高頻的行進波交流電訊號下，流體中的粒子會受到行進波電場的影響而極化，使得粒子隨著行進波交流電方向前進，因此，在成放射狀環形排列的該電極陣列2的影響下，粒子會由於行進波介電泳的效應，而隨著該電極陣列2的態樣作圓周運動。故而，可以藉由控制交流電頻率、電壓，以及電極的形狀和排成的電極陣列態樣，使得流體中的粒子受到被控制的行進波電滲泳、介電泳和行進波介電泳三種電動力學效應影響，而改變運動行為，從而完成不同樣品的準備。

參閱圖3、圖4，本發明具有電極陣列的微流道元件的每一電極21，還可以成以該微流道11的中心點3沿其放射方向成寬度向外漸增的扇形，或是梯形，另外，該等電極21排列的態樣也可以是以該中心點3為圓心的扇形，而讓流體中的粒子受到被控制的行進波電滲泳、介電泳和行進波介電泳三種電動力學效應影響，而改變運動行為，從而完成不同樣品的準備。

參閱圖5、圖6、圖7、圖8，先以有限元素分析法驗證上述本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例的行進波電滲泳效應，圖5是實際微流道元件之電極陣列2的幾何模擬模型，四電極21分別具有四相位0°、90°、180°、270°，由圖6、圖7可以看出行進波電滲泳流速隨著逐漸遠離中心點3而減少，及在半徑高度平面的流速分 佈切面態樣。如圖8所示，因此，當粒子於微流道11容室111中於一起始點(starting point)4開始後，受到行進波電滲泳效應作用而沿著繪出的軌跡運動，最後限制於鄰近該微流道11容室111的中心點3處的一集聚環狀區(trap loop)5。

參閱圖9、圖10、圖11，再以有限元素分析法驗證上述本發明具有電極陣列的微流道元件的較佳實施例的介電泳力分佈，圖9是實際微流道元件之電極陣列2的幾何模擬模型，二電極21分別具有二相位0°、90°，由圖10可以看出二電極21沿著角方向和徑向的電場變化，圖11則表示出沿徑向從元件表面不同高度的電場平方的梯度變化，由此，可以驗證得知流場中的粒子受到介電泳力的作用而改變運動行為。

參閱圖12，圖12是實際實驗結果圖，共區分為0秒、10秒、18秒、41秒、58秒、70秒等6個子圖，進一步地，以該微流道11中注入包含15μm聚苯乙烯微(polystyrene beads)的流體(溶液是100μM的氯化鉀溶液)，並施加1.2V、2.5KHz交流電時，經過70秒後，聚苯乙烯微粒(圖中綠色亮點)幾乎完全因上述分析的行進波電滲泳、介電泳和行進波介電泳三種電動力學效應影響而被作用至近容室111中心點3。

參閱圖13，圖13是實際實驗結果圖，共區分為0秒、3秒、30秒、96秒、305秒、475秒等6個子圖，以該微流道11中注入包含1μm聚苯乙烯微粒的流體(溶液是 100μM的氯化鉀溶液)，並施加1.2V、2.5KHz交流電時，經過475秒後，聚苯乙烯微粒(圖中紅色亮點)幾乎完全因上述分析的行進波電滲泳、介電泳和行進波介電泳三種電動力學效應影響而被作用至對應於電極陣列2最外緣處。

參閱圖14，以該微流道11中注入同時包含1μm和15μm聚苯乙烯微粒的流體(溶液是100μM的氯化鉀溶液)，並施加1.2V、2.5KHz交流電作用後，原本隨機分佈的1μm和15μm聚苯乙烯微粒，約有81.0%的1μm聚苯乙烯微粒(圖中紅色亮點)被作用至對應於電極陣列2最外緣處(約380~400μm)，如a、c二部分所示，約有94.4%的15μm聚苯乙烯微粒則被作用至對應於電極陣列2最內緣(約100μm)處，如b、d二部分所示，進一步驗證本發明具有電極陣列的微流道元件可以讓流體中隨機分佈之不同粒徑的相同組成粒子受到被控制的行進波電滲泳、介電泳和行進波介電泳三種電動力學效應影響，而改變聚集至不同的區域，從而完成不同樣品的準備。

參閱圖15，再以該微流道11中注入同時包含1μm和6μm聚苯乙烯微粒的流體(溶液是100μM的氯化鉀溶液)，且1μm和6μm聚苯乙烯微粒的比例約為300：1，並施加1.2V、2.5KHz交流電作用後，1μm聚苯乙烯微粒(圖中紅色亮點)被作用至對應電極陣列2最外緣處，6μm聚苯乙烯微粒(圖中綠色亮點，箭頭標示處)則被作用至對應電極陣列2內緣處，如進一步驗證本發明具有電極陣列的微流道元件的樣品分離能力。

綜上所述，本發明主要是提出一種具有電極陣列的微流道元件，其中，電極陣列是由多數寬度自該中心點沿其放射方向向外漸增且間隔地成放射狀環形或扇形排列的電極構成，藉由每一電極的寬度沿其放射方向向外漸增，並間隔地成放射狀環形或扇形排列，而在施加交流電時，對流體中的微粒產生行進波電滲泳、介電泳和行進波介電泳三種電動力學效應的影響，從而可以簡單地以交流電的電壓、頻率，以及電極的形狀和排列態樣做為控制參數，從而於單一晶片上完成流體中不同的微粒的驅動分離動作，完成樣品準備和樣品檢測等功能，達成能執行複合功能的系統晶片的目標，確實達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧元件本體

11‧‧‧微流道

111‧‧‧容室

112‧‧‧注入口

113‧‧‧通道

2‧‧‧電極陣列

21‧‧‧電極

3‧‧‧中心點

Claims (9)

1. 一種具有電極陣列的微流道元件，用於分離具有複數不同粒徑的粒子，該具有電極陣列的微流道元件包含：一元件本體，具有至少一微流道；及一電極陣列，形成於該元件本體並具有多數電極，該等電極彼此間隔地對應該微流道的一中心點成放射狀排列，當一交流電壓施於該電極陣列時，該等粒子受行進波電滲泳與介電泳效應，使粒徑較大的粒子向該中心點移動，粒徑較小的粒子遠離該中心點移動。
2. 如請求項1所述的具有電極陣列的微流道元件，其中，每兩相鄰電極的一最短間距為5微米。
3. 如請求項2所述的具有電極陣列的微流道元件，其中，該等電極排列成以該中心點為圓心的扇形，及圓環形二者其中之一。
4. 如請求項2或3所述的具有電極陣列的微流道元件，其中，每一電極的寬度自該中心點沿其放射方向向外漸增。
5. 如請求項4所述的具有電極陣列的微流道元件，其中，該任一電極的一靠近該中心點的短邊的投影落在以該中心點為圓心所成的圓的圓周上。
6. 如請求項4所述的具有電極陣列的微流道元件，其中，該任一電極的一遠離該中心點的長邊的投影落在以該中心點為圓心所成的圓的圓周上。
7. 如請求項2或3所述的具有電極陣列的微流道元件，其 中，該任一電極成扇形。
8. 如請求項2或3所述的具有電極陣列的微流道元件，其中，該任一電極成梯形。
9. 如請求項1或2所述的具有電極陣列的微流道元件，其中，該任一電極成矩形。