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CN105396630B - 等液位贮槽及微流道生物芯片 - Google Patents

等液位贮槽及微流道生物芯片 Download PDF

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CN105396630B CN201410408919.4A CN201410408919A CN105396630B CN 105396630 B CN105396630 B CN 105396630B CN 201410408919 A CN201410408919 A CN 201410408919A CN 105396630 B CN105396630 B CN 105396630B
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Abstract

本发明是关于一种等液位贮槽及微流道生物芯片，所述微流道生物芯片包含等液位贮槽，设于盖板上。等液位贮槽包含多个分槽，其内液面为实质等高，各个分槽的底面具有开口，用以相应连通至基板内的微流道。本发明的微流道生物芯片使用等液位贮槽，可避免传统贮槽的液位差不稳定的问题，因而增进生物侦测的精确度。

Description

等液位贮槽及微流道生物芯片
技术领域
本发明是有关于一种生物芯片，特别是关于一种使用等液位贮槽的微流道(microfluidic)生物芯片。
背景技术
微流道技术(microfluidics)是结合工程、物理、化学、生化、纳米技术与生物技术的一门技术，借由微量液体的流动以进行分离或侦测，具有尺寸小、功率消耗低等优点。微流道技术可应用以制作生物芯片，例如检测精子的泳动力(motility)或精子的品质。
图1A显示传统生物芯片100的透视图。在基板11内形成有微流道(microfluidicchannel)12，并在微流道12的开口上方连接有贮槽(reservoir)13、14、15，其中一个贮槽13内置有待测的精子样本。图1B显示微流道12的俯视图。微流道12内流场2的流体速度可借由贮槽13、14的液体高度所产生的液位差来控制。如果是精子细胞，微流道13内的流速范围为0到50微米每秒，因为正常精子的游动速度是50-70微米每秒。精子细胞在微流道12内，当流速大于0时，精子细胞由流速的下游往上游逆流而上游动；当流速为0时，精子细胞在微流道12内自由游动。这两种情况下，在微流道12的微孔121处收集到的精子细胞都是从另一端自主游动过来的有活动力的细胞，而非不动或死的细胞。这样，就可以借由收集并通过统计学算法统计出精液样本中有活动力的细胞。然而，要稳定地实现这样的流体速度，由于贮槽13、14内液体的液位差非常的小，一般使用者很难精确的加入所需的液体量，造成了两个贮槽13、14之间液位差不稳定的问题，因而大大降低了生物侦测结果的精确度。微流道12内的流场1的流体速度由贮槽14、15的液体高度所产生的液位差来控制，其流速远大于流场2，其作用是将到达微孔121附近的精子细胞冲过微孔121。流场1的流体速度与产生的信号电压脉冲频率有关，但由于一般对脉冲频率的兼容性很大，因此对此流体速度的精度要求不高，只要贮槽14的液面高于贮槽15超过10毫米以上即可。
因此亟需提出一种新颖的生物芯片，用以改善传统生物芯片的液位差不稳定的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物芯片，其使用等液位贮槽，可避免传统贮槽的液位差不稳定的问题，因而增进生物侦测的精确度。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现的。本发明提出一种等液位贮槽，适用于微流道生物芯片，该等液位贮槽包含：多个分槽，其内液面为实质等高，各个该分槽的底面具有开口，用以连通至相应的微流道。
本发明的目的还可采用以下技术措施进一步实现。
较佳的，前述的等液位贮槽，其中该等液位贮槽包含：容器；及至少一个分隔墙，设于该容器内，用以将该容器分隔出所述多个分槽，所述多个分槽在靠近液面处未受到该分隔墙的阻隔，使得所述多个分槽的液面实质等高。
较佳的，前述的等液位贮槽，其中该等液位贮槽包含：多个容器，分别作为所述多个分槽；及连通管，在靠近液面处设于所述多个分槽之间，使得所述多个分槽的液面实质等高。
较佳的，前述的等液位贮槽，更包含：阻隔墙，设于其中一个分槽内，该阻隔墙的顶部阻隔该分槽内的液面，但该阻隔墙的底部未完全阻隔该分槽内的液体。
本发明的目的还采用以下技术方案来实现的。本发明提出一种微流道生物芯片，其包含：基板，其内形成有多个微流道；盖板，设于该基板上方；及等液位贮槽，设于该盖板上，该等液位贮槽包含多个分槽，其内液面为实质等高，各个该分槽的底面具有开口，用以相应连通至所述多个微流道。
本发明的目的还可采用以下技术措施进一步实现。
较佳的，前述的微流道生物芯片，其中该等液位贮槽包含：容器；及至少一个分隔墙，设于该容器内，用以将该容器分隔出所述多个分槽，所述多个分槽在靠近液面处未受到该分隔墙的阻隔，使得该些分槽的液面实质等高。
较佳的，前述的微流道生物芯片，其中该等液位贮槽包含：多个容器，分别作为所述多个分槽；及连通管，在靠近液面处设于所述多个分槽之间，使得所述多个分槽的液面实质等高。
较佳的，前述的微流道生物芯片，其中该等液位贮槽更包含：阻隔墙，设于其中一个分槽内，该阻隔墙的顶部阻隔该分槽内的液面，但该阻隔墙的底部未完全阻隔该分槽内的液体。
较佳的，前述的微流道生物芯片，其中所述多个微流道包含多个微流道组合，每一个该微流道组合包含：第一微流道；第二微流道；第三微流道，该第一微流道、该第二微流道与该第三微流道的第一端耦接连通于合流点，该合流点的截面积小于该第一微流道、该第二微流道与该第三微流道的截面积；及一组电极，分别设于该第一微流道的第二端以及该第三微流道的第二端；其中该第三微流道的第二端在接合点耦接连通于另一微流道组合，且所述多个微流道组合的第二微流道的第二端相应连通至所述多个分槽的开口。
较佳的，前述的微流道生物芯片，其中该第一微流道与该第三微流道呈直线，该第二微流道与该第三微流道之间具有夹角，借此，使得从该第二微流道往该第一微流道的流速异于从该第二微流道往该第三微流道的流速。
较佳的，前述的微流道生物芯片，其中一个微流道组合的夹角大于其他微流道组合，使得该接合点内的液体从较大夹角的微流道组合流向其他微流道组合。
较佳的，前述的微流道生物芯片，其中一个微流道组合的第二微流道的截面积大于其他微流道组合，使得接合点内的液体从较大第二微流道的截面积的微流道组合流向其他微流道组合。
较佳的，前述的微流道生物芯片，其中一个微流道组合的液体粘度小于其他微流道组合，使得接合点内的液体从较小液体粘度的微流道组合流向其他微流道组合
较佳的，前述的微流道生物芯片，其中设于该第三微流道的第二端的该电极作为所述多个微流道组合的共同电极。
较佳的，前述的所述的微流道生物芯片，更包含废液池贮槽，设于该盖板上并连接至该第一微流道的第二端。
借由上述技术方案，本发明等液位贮槽及微流道生物芯片至少具有下列优点及有益效果：本发明的微流道生物芯片使用等液位贮槽，可避免传统贮槽的液位差不稳定的问题，因而增进生物侦测的精确度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1A显示传统生物芯片的透视图。
图1B显示图1A的微流道的俯视图。
图2A显示本发明实施例的生物芯片的俯视图。
图2B显示图2A当中的一个微流道组合的俯视图。
图2C显示图2A的生物芯片的等效电路。
图3例示本发明另一实施例的生物芯片的俯视图。
图4A显示本发明实施例的生物芯片的透视图。
图4B显示本发明实施例的生物芯片的俯视图。
图4C显示图4A的等液位贮槽的剖视图。
图4D显示图4A的等液位贮槽的另一剖视图。
【主要元件符号说明】
100：生物芯片 11：基板
12：微流道 121：微孔
13：贮槽 14：贮槽
200：生物芯片 21：第一微流道
211：第二端 22：第二微流道
221：第二端 222：流速
223：流速 224：夹角
23：第三微流道 231：第二端
24：合流点 25：接合点
26：电极 27：电极
28：侦测器 300：生物芯片
301：微流道组合 302：微流道组合
303：微流道组合 40：基板
400：容器 400A：容器
400B：容器 410：等液位贮槽
410A：分槽 410B：分槽
411：分隔墙 412：开口
413：连通管 42：盖板
421：左废液池贮槽 422：右废液池贮槽
43：阻隔墙
51：左夹角 52：右夹角
61：左第二微流道截面积/长度 62：右第二微流道截面积/长度
71：左合流点截面积 72：右合流点截面积
a1：精子流动方向 a2：液体流动方向
b1：活动精子 b2：不活动或死精子
c1：流场1 c2:流场2
e：主流场 f：分流场
g：高液位 h：低液位
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种等液位贮槽及微流道生物芯片的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
图2A显示本发明实施例的生物芯片200的俯视图。在本实施例中，生物芯片200是用以检测精子的泳动力或精子的品质。然而，本发明也可广泛应用于检测其他具泳动力的单细胞或多细胞生物，在本说明书中泛称为生物样本(biological sample)。
本实施例的生物芯片200包含多个微流道组合(microfluidic assembly)201、202，形成于基板内，例如玻璃。图2B显示图2A当中的一个微流道组合201的俯视图。生物芯片200当中的每一个微流道组合201的结构可以相同，也可根据应用需求而互有差异。如图2B所示，微流道组合201包含第一微流道21、第二微流道22与第三微流道23。第一微流道21、第二微流道22与第三微流道23的第一端耦接连通于合流点(junction)24。第一微流道21的第二端211为开口，可连接至贮槽(reservoir)；第二微流道22的第二端221为开口，可连接至贮槽；而第三微流道23的第二端231则在接合点(joint)25耦接连通于另一微流道组合202，如图2A所示。
根据本实施例的特征之一，合流点24的截面积远小于第一微流道21、第二微流道22与第三微流道23的截面积，借此，得以提升生物侦测的灵敏度(sensitivity)。在本实施例中，第一微流道21、第二微流道22与第三微流道23的宽度可为10～10000微米，深度可为5～500微米。合流点24的宽度可为5～100微米，深度可同于或小于第一微流道21、第二微流道22、第三微流道23的深度。关于合流点24的深度小于其他微流道的深度的作法，可参考本发明的发明人的中国发明专利申请，题为“一种改进的生物芯片微孔传感器”，申请公布号CN 103398924。
本实施例的第一微流道21与第三微流道23大致呈一条直线，而第二微流道22则与第三微流道23之间具有夹角224(例如锐角)。借此，使得从第二微流道22往第一微流道21的流速222异于从第二微流道22往第三微流道23的流速223。
继续参阅图2A，本实施例的生物芯片200的每一微流道组合(例如201)对应设有一组电极26、27，分别设于第一微流道21的第二端211以及第三微流道23的第二端231，且电极26、27之间电性连接侦测器(detector)28。上述电极27可作为各微流道组合201、202的共同电极。
根据图2A所示生物芯片200的结构，如果生物样本(例如精子)从(左侧)微流道组合201的第二微流道22的第二端221开口进入，则一部分的精子将从(左侧)微流道组合201的合流点24通过，并借由相应电极26、27及侦测器28而侦测到电压脉冲；且有另一部分的精子将从(右侧)微流道组合202的合流点24通过，并借由相应电极26、27及侦测器28而侦测到电压脉冲。在本实施例中，可使用至少一组电极26、27，并配合侦测器28以侦测电压脉冲。
由于两个(第二微流道22的)第二端221入口对应的贮槽是实质等液位的，因此两个(第三微流道23的)第二端231的液体压力是实质一致的，所以两个第二端231之间的微通道的液体是稳定静止的，即流速实质大约为0。这时能到达微流道组合202的合流点24的精子细胞就是自主游动过去的，所以在此处检测到的这部分精子细胞代表有活动力的精子。而从微流道组合201的合流点24通过的精子是被主流场冲过来的，其中有活动精子和不活动精子，所以在此处检测到的精子代表精子总数。
根据上述实施例，第二微流道22与第三微流道23之间的夹角224可以采用不同的角度。一般来说，角度越大，分流场的分液压越大。第一微流道21、第二微流道22与第三微流道23的截面积可以采用不同的大小(例如，借由调整宽度和深度)。一般来说，截面积越大，通道阻力越小，相同位置的液体压力越大。长度越长，信道阻力越大，相同位置的液体压力越小。合流点24的截面积可以采用不同的大小(例如，借由调整宽度和深度)。一般来说，截面积越大，主流场的液流量越大。
借由实现不同的分流场(亦即，液体流动速度和流动方向)，可以让第三微流道23的第二端231的接合点25内的液体顺流、逆流，或者不流，也可以依照产品的需求或目的而实现微调其他各个微流道内所需的流速，进而实现需要的芯片检测功能。
生物芯片200的整个系统可以用图2 C所示的等效电路来表示和说明。其中，“液体压力”相当于“电压”，“液体速度”相当于“电流”，“截面积和长度61、62、71、72”相当于“电阻”，“微流道的夹角51、52”相当于“可调电阻”。借此，生物芯片200的整个系统相当于一个电桥。
以下举出几个实施例。在实施例一，左右微流道组合201、202加入同种(或同种粘度)液体。在左右流道组合201、202完全对称的情况下，中间的接合点25内的液体是不流动的，因为其两端的液体压力相等。
在实施例二，左右微流道组合201、202加入同种(或同种粘度)液体，增大右微流道组合202的微流道(例如第二微流道22)截面积，或加大右微流道组合202的夹角224，都会增加接合点25右侧的液体压力，从而导致接合点25内的液体是从右流向左(逆流)。在逆流的情形下，由于精子具有逆流而上的本能，因而可以由左向右游动。同理,在实施上亦可减小右微流道组合202的微流道(例如第二微流道22)截面积，或减小右微流道组合202的夹角224，都会减小接合点25右侧的液体压力，从而导致接合点25内的液体是从左流向右(顺流)。如此，依照产品的需求或目的，而实现逆流或顺流的微调，进而实现需要的芯片检测功能。
在实施例三，左右微流道组合201、202完全对称，但左右微流道组合201、202加入不同(或不同粘度)液体的情况下，中间的接合点25内的液体是流动的，流动的方向是从粘度低的部分流向粘度高的部分。
在实施例四，左右微流道组合201、202不对称，左右微流道组合201、202加入不同(或不同粘度)液体的情况下，经过计算设计，中间的接合点25内的液体可以刚好是不流动的。
上述实施例虽以二个微流道组合201、202所组成的生物芯片200作为例示，然而，生物芯片200的微流道组合的数目并不限定为二。图3例示本发明另一实施例的生物芯片300的俯视图，其是由三个微流道组合301、302、303所组成。三个微流道组合301、302、303的第三微流道23的第二端231在接合点25互相耦接连通。
根据本实施例的特征之一，多个微流道组合(例如图2A的201及202)的第二微流道22的第二端221开口共同连接至等液位(equal-liquid-level)贮槽410，如图4A所示的透视图与图4B所示的俯视图，其设于盖板42上，例如聚合物(polymer)。盖板42上还设有左废液池贮槽421(对应连接至左第一微流道21的第二端211)与右废液池贮槽422(对应连接至右第一微流道21的第二端211)。设有微流道(例如21、22、23)的基板40置于盖板42下面。图4C显示图4A的等液位贮槽410的剖视图。
如图4C所例示，等液位贮槽410包含容器400，内设有分隔墙411，用以将等液位贮槽410分隔出多个分槽(在这个例子中为二个分槽)410A、410B，借由底面的开口412分别连接至各个第二微流道22的第二端221开口。各个分槽410A、410B在靠近液面处则未受到分隔墙411的阻隔，因而使得各个分槽410A、410B的液面可以实质等高，因而彼此间不具液位差，不但可以提升生物侦测的精确度，且能简化操作以增进便利性。图4D显示图4A的等液位贮槽410的另一剖视图。在这个例子中，等液位贮槽410包含二容器400A、400B，分别作为分槽410A与410B，两者之间在靠近液面处设有连通管413，取代图4C的分隔墙411，同样可以使得各个分槽410A、410B的液面实质等高。
对于图4C或图4D所例示的等液位贮槽410，其中一个分槽(例如分槽410A)更设有阻隔墙43，其顶部阻隔分槽410A内的液面，但底部未完全阻隔分槽410A内的液体。借此，当生物样本(例如精子)置入分槽410A后，使得生物样本大致上可位于分槽410A的底面，而不容易跨过分隔墙411进入另一分槽410B。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种微流道生物芯片，用于精子品质或泳动力的检测，其特征在于：生物芯片包含，
基板，其内形成有多个微流道，所述多个微流道包括多个微流道组合，每一个微流道组合包含第一微流道、第二微流道以及第三微流道，该第一微流道第一端、第二微流道第一端与该第三微流道的第一端耦接连通于合流点，该第三微流道的第二端在接合点耦接连通于另一微流道组合中的第三微流道的第二端；
盖板，设于该基板上方；
等液位贮槽，用于容纳精子溶液，设于该盖板上，该等液位贮槽包含多个分槽，多个分槽内液面在检测过程中持续实质等高，各个该分槽的底面具有开口，用以分别连通至多个微流道组合的第二微流道的第二端；
废液池贮槽，用于储存废液，设于所述盖板上并连接至第一微流道的第二端；
一组电极，分别设置在第一微流道的第二端以及第三微流道的第二端，用于与侦测器配合在具有泳动力的精子经过合流点时侦测电压脉冲。
2.如权利要求1所述的一种微流道生物芯片，其特征在于：所述等液位贮槽更包含，阻隔墙，设于其中一个分槽内，该阻隔墙的顶部阻隔该分槽内的液面，但该阻隔墙的底部未完全阻隔该分槽内的液体，所述阻隔墙用以使分槽内的精子细胞大致位于该分槽的底面，且不易跨过分隔墙进入另一分槽。
3.如权利要求1所述的一种微流道生物芯片，其特征在于：该第一微流道与该第三微流道呈直线，该第二微流道与该第三微流道之间具有夹角，借此，使得从该第二微流道往该第一微流道的流速异于从该第二微流道往该第三微流道的流速。
4.如权利要求1所述的一种微流道生物芯片，其特征在于：设于该第三微流道的第二端的该电极作为所述多个微流道组合的共同电极。
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