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TWI841191B - 用於生物粒子之操作單元與操作裝置 - Google Patents

用於生物粒子之操作單元與操作裝置 Download PDF

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TWI841191B
TWI841191B TW112101423A TW112101423A TWI841191B TW I841191 B TWI841191 B TW I841191B TW 112101423 A TW112101423 A TW 112101423A TW 112101423 A TW112101423 A TW 112101423A TW I841191 B TWI841191 B TW I841191B
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electrodes
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working electrodes
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蕭正輝
連俊龍
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瑞禾生物科技股份有限公司
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    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C5/00—Separating dispersed particles from liquids by electrostatic effect
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
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Abstract

一種操作單元，適用於操作一生物粒子，操作單元包括基板、核心電極、內電極、外電極與絕緣層。核心電極、內電極、外電極與絕緣層均設置在基板上。核心電極具有核心工作電極。內電極具有複數個第一工作電極與第一連接電極，且第一連接電極電性連接第一工作電極。外電極具有複數個第二工作電極與第二連接電極，且第二連接電極電性連接第二工作電極。其中，絕緣層覆蓋第一連接電極與第二連接電極，核心工作電極、第一工作電極與第二工作電極凸出於絕緣層，第一工作電極圍繞核心工作電極，且第二工作電極圍繞第一工作電極。

Description

用於生物粒子之操作單元與操作裝置
本發明一般係關於一種操作單元與操作裝置，具體而言，本發明係關於一種用於生物粒子之操作單元與操作裝置。
近年來由於生物技術的蓬勃發展，各種不同生物粒子的操作技術紛紛出現，可操作的生物粒子從細胞(Cell)、病毒(Virus)、蛋白質(protein)到去氧核醣核酸(Deoxyribonucleic acid；DNA)等均有。由於生物粒子操作技術可以達到各別生物粒子定位，藉此可以進行各種物理、化學、生物特性的量測與檢測。甚至進而可以達到操作特定的目標生物粒子，達到分離純化特定生物粒子的目的。應用在檢疫方面，由於快速而精準的生物粒子操作，可以更早期精確判斷特定生物粒子的數量，例如特定病毒的數量，增進檢疫的精準度。
自赫伯特‧波爾(Herbert Pohl)在其著作《介電泳》«dielectrophoresis»(1978)中做了較詳盡的理論解釋，便開啟了介電泳(Dielectrophoresis；DEP)對生物粒子操控的研究大門。時至今日，此技術可以普遍地應用在各種不同大小的生物粒子，而且有相當的操作效果。介電泳(DEP)操作技術之中，例如藉由在兩個非平行電極之間施加交流(alternating current；AC) 電壓，形成不均勻的電場，形成介電泳力(Dielectricphoretic force)，使目標生物粒子可以快速地移動到預定的電極位置。
另外，細胞電誘導融合技術(cell electrofusion)為科學家齊默爾曼(Zimmerman)所發明，而且他在二十世紀八、九十年代對細胞電融合技術進行了系統的研究，開創了細胞電融合技術的新局面，使細胞融合技術成為了生物工程的基本核心技術。但是它同樣也存在如下的不足：(1)細胞的特異性配對率低，從而造成細胞融合率一般只能達到10%左右；(2)由於電極處於導電融合液中，因此要在電極間建立起足夠的電場強度，就要輸出至少為幾百伏甚至數千伏，就要求電源有極高的輸出功率，這樣就造成細胞電融合設備價格高昂，而且存在電氣安全方面的隱患，從而阻礙了這一技術的廣泛應用；(3)化學方法其誘導物採用聚乙二醇(Polyethylene glycol，PEG)，利用PEG法進行細胞融合的成本很低，應用也最廣泛。但是細胞融合技術也存在很多難以克服的缺點：(1)特異性配對差，融合效率低，不同細胞的特異性融合率一般不高於；(2)細胞融合過程可控性差，可重複性差；(3)由於特異性配對差，誘導劑PEG的使用量也較大，而誘導劑對細胞有較大的化學毒害作用，用量越大，毒害作用越強，不利於融合細胞的生存與功能。
然而，目前使用介電泳(DEP)操作的設計仍然不夠完善，為了達到足夠的介電泳力，在電極上施加足夠的操作電壓，以產生所需的電場，卻產生過高的焦耳熱(Q)對於操作環境敏感的細胞或是其他生物粒子，往往容易造成細胞死亡或是生物粒子遭到破壞。因此，如何設計適當的操作結構，讓使用者在有足夠的電場的同時又享有極低的焦耳熱進行生物粒子操控，但是又盡量不會造成生物粒子死亡或被破壞。另外，細胞電融合技術亦存在上述的缺點， 仍待適當的結構設計改善細胞融合效果，已經成為本領域技術人員急欲解決的問題。
本發明之一目的在於提供一種操作單元與操作裝置，適用於操作生物粒子。本發明之操作單元與操作裝置憑藉奈米電極在相同電壓條件下相比於傳統的微米電極能產生更強的電場與更小的電流特性，從而得到更強的介電泳力進行操控，同時僅產生極低的焦耳熱。這主要源於兩個原理(1)電場=電壓/電極半徑(E=V/RE)，(2)電流正比於電極面積(I
Figure 112101423-A0305-02-0006-1
AE)。因此奈米電極可以使用相對較小的電壓提供足夠的強度的不均勻電場，且可避免過高的電壓與電流(功率)產生局部區域的高溫，避免操作的生物粒子因此而造成被破壞或是死亡。發明之操作單元與操作裝置可採用互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor；CMOS)邏輯(logic)相容材料。一方面可藉助CMOS Logic製程輕易完成高通量的奈米排列電極矩陣及組合設計。另一方面，更能進一步結合CMOS logic控制線路，對多重奈米電極排列矩陣組合中，個別迴路電極排列矩陣的操控方式進行編程控制，最終達到對生物粒子做高通量的精準操控，且友善不會破壞生物粒子的完美情況。
本發明之一實施例提供一種操作單元，適用於操作一生物粒子。操作單元包括基板、核心電極、內電極、外電極以及絕緣層。核心電極設置在基板上，核心電極具有核心工作電極。內電極設置在基板上，內電極具有複數個第一工作電極與第一連接電極，且第一連接電極電性連接第一工作電極。外電極設置在基板上，外電極具有複數個第二工作電極與第二連接電極，且第二 連接電極電性連接第二工作電極。絕緣層設置在基板上，其中絕緣層覆蓋第一連接電極與第二連接電極，核心工作電極、第一工作電極與第二工作電極凸出於絕緣層，第一工作電極圍繞核心工作電極，且第二工作電極圍繞第一工作電極。
本發明之另一實施例提供一種雙聯操作單元，適用於操作一生物粒子。雙聯操作單元包括基板、一對核心電極、一對內電極、一對外電極以及雙聯電極。此對核心電極設置在基板上，每一核心電極具有核心工作電極。此對內電極設置在基板上，每一內電極具有複數個第一工作電極與第一連接電極，且第一連接電極電性連接這些第一工作電極。此對外電極設置在基板上，每一外電極具有複數個第二工作電極與第二連接電極，且第二連接電極電性連接這些第二工作電極。雙聯電極設置在基板上，雙聯電極具有複數個雙聯工作電極與雙聯連接電極，且雙聯連接電極電性連接雙聯工作電極。絕緣層設置在基板上，其中絕緣層覆蓋第一連接電極、第二連接電極與雙聯連接電極。核心工作電極、第一工作電極、第二工作電極與雙聯工作電極凸出於絕緣層，每一內電極之第一工作電極圍繞對應的核心工作電極，每一外電極之第二工作電極圍繞對應的內電極的第一工作電極，雙聯電極之雙聯工作電極圍繞對外電極的第二工作電極。
本發明之另一實施例提供一種雙聯操作單元，適用於操作一生物粒子。雙聯操作單元包括基板、第一操作單元、第二操作單元、雙聯電極以及絕緣層。第一操作單元與第二操作單元設置在基板上，第一操作單元與第二操作單元之每一個均具有核心電極、內電極以及外電極。核心電極具有核心工作電極。內電極具有複數個第一工作電極與第一連接電極，且第一連接電極電性 連接第一工作電極。外電極具有複數個第二工作電極與第二連接電極，且第二連接電極電性連接第二工作電極。雙聯電極設置在基板上，雙聯電極具有複數個雙聯工作電極與雙聯連接電極，且雙聯連接電極電性連接雙聯工作電極。絕緣層設置在基板上，其中絕緣層覆蓋第一連接電極、第二連接電極與雙聯連接電極。核心工作電極、第一工作電極、第二工作電極與雙聯工作電極凸出於絕緣層，每一內電極之第一工作電極圍繞對應的核心工作電極，每一外電極之第二工作電極圍繞對應的內電極的第一工作電極，雙聯電極之雙聯工作電極圍繞對外電極的第二工作電極。
發明之另一實施例提供一種操作裝置，適用於操作一生物粒子。操作裝置包括基板、複數個核心電極、複數個內電極、複數個外電極以及絕緣層。複數個核心電極陣列排列設置在基板上，每一核心電極具有核心工作電極。複數個內電極陣列排列設置在基板上，每一內電極具有複數個第一工作電極與第一連接電極，且第一連接電極電性連接這些第一工作電極。複數個外電極，陣列排列設置在基板上，每一外電極具有複數個第二工作電極與第二連接電極，且第二連接電極電性連接第二工作電極。絕緣層設置在基板上，其中絕緣層覆蓋第一連接電極與第二連接電極。核心工作電極、第一工作電極與第二工作電極凸出於絕緣層，且每一內電極之第一工作電極圍繞對應的核心工作電極，每一外電極之第二工作電極圍繞對應的內電極的第一工作電極。
相較於知習技術，本發明的操作單元與操作裝置，使用絕緣層覆蓋第一連接電極與第二連接電極，避免非必要的焦耳熱外溢。核心工作電極、第一工作電極與第二工作電極凸出於絕緣層，且第一工作電極圍繞核心工作電極，且第二工作電極圍繞第一工作電極。本發明的結構設計可以使用相對較小 的功率，使用相對較小的電壓與電流提供足夠強度的電場，且可避免過高的電壓與電流(功率)產生焦耳熱造成局部區域的高溫，以及避免周邊區域的溶液因為焦耳熱而形成熱對流或熱紊流，減少生物粒子非必要流動，可輕易地吸引生物粒子吸附於核心電極，完善的操作生物粒子到目標電極上，避免在操作過程中造成生物粒子死亡或是生物粒子被破壞。由於本發明的結構設計僅使用相對小很多的功率，即可達到所需連續的操作電場強度，近乎不會造成生物粒子的破壞，也近乎不會造成生物粒子死亡。使用者可藉由使用此操作單元達到完善的生物粒子之各種操作目的，尤其對於單細胞此等生物粒子，近乎不會造成單細胞死亡，而且均能達到良好的操作效果。
100、100A:操作單元
102:基板
110:核心電極
112:核心工作電極
114:核心連接電極
120:內電極
122:第一工作電極
124:第一連接電極
130:外電極
132:第二工作電極
134:第二連接電極
140、142、144、146:絕緣層
150:輔助外電極
152:第三工作電極
154:第三連接電極
170:圖案化導電層
172:圖案化導電層
180:單粒子吸附電極
182:單粒子工作電極
184:單粒子連接電極
190:圖案化導電層
192:圖案化導電層
192a:下段部分
192b:上段部分
200、200B:雙聯操作單元
202:基板
204:第一操作單元
206:第二操作單元
210、210a、210b:核心電極
212:核心工作電極
214:核心連接電極
220、220a、220b:內電極
222:第一工作電極
224:第一連接電極
230、230a、230b:外電極
232:第二工作電極
234:第二連接電極
240:絕緣層
260:雙聯電極
262:雙聯工作電極
264:雙聯連接電極
280、280a、280b:單粒子吸附電極
282:單粒子工作電極
284:單粒子連接電極
306:接觸窗插塞
308:接觸窗插塞
310、310a、310b:核心連接線
311:介層窗插塞
312:介層窗插塞
320、320a、320b:第一連接線
322:介層窗插塞
330、330a、330b:第二連接線
332:介層窗插塞
350:第三連接線
352:介層窗插塞
360:雙聯連接線
362:介層窗插塞
370:場效電晶體
372:閘極電極
373:閘極介電層
374:第一源極/汲極區
376:第二源極/汲極區
380、380a、380b:單粒子連接線
382:介層窗插塞
410:操作陣列
410B:雙聯操作陣列
420、420B:第一控制電路
430、430B:第二控制電路
1000:操作裝置
1200:操作裝置
B12、B14、B16、Bmn:雙聯操作單元
D1:第一平均距離
D2:第二平均距離
D3:第三平均距離
D4:第四平均距離
D5:第五平均距離
DD:核心平均距離
H1:第一平均高度
H2:第二平均高度
L1:第一平均直徑
L2:第二平均直徑
L3:第三平均直徑
L4:第四平均直徑
L5:第五平均直徑
P:生物粒子平均直徑
S1:第一平均間距
S2:第二平均間距
S3:第三平均間距
S5:第五平均間距
S110、S120、S130、S132、S140、S150、S152:步驟
S210、S220、S230、S232、S240、S250、S260、S262、S270:步驟
T:外電極平均直徑
U11、U12、U13、Umn:操作單元
圖1A為本發明之一實施例之操作單元的俯視示意圖。
圖1B為本發明之一實施例之操作單元的透視示意圖。
圖1C為本發明之一實施例，對應於圖1B中沿著截面線A-A’之截面示意圖。
圖2A至圖2C為本發明之一實施例，對應於圖1C之製造流程示意圖。
圖3為本發明之一實施例之操作單元的操作流程圖。
圖4A為本發明之另一實施例之操作單元的俯視示意圖。
圖4B為本發明之另一實施例之操作單元的透視示意圖。
圖4C為本發明之另一實施例，對應於圖4B中沿著截面線B-B’之截面示意圖。
圖5A為本發明之另一實施例之操作單元的透視示意圖。
圖5B為本發明之另一實施例，對應於圖5A中沿著截面線C-C’之截面示意圖。
圖5C為本發明之另一實施例，對應於圖5B中使用場效電晶體連接核心電極之截面示意圖。
圖6A為本發明之另一實施例之操作單元的俯視示意圖。
圖6B為本發明之另一實施例之操作單元的透視示意圖。
圖6C為本發明之另一實施例，對應於圖6B中沿著截面線D-D’之截面示意圖。
圖7為本發明之另一實施例之操作單元的操作流程圖。
圖8A為本發明之另一實施例之操作單元的俯視示意圖。
圖8B為本發明之另一實施例之操作單元的透視示意圖。
圖8C為本發明之另一實施例，對應於圖8B中沿著截面線E-E’之截面示意圖。
圖8D為本發明之另一實施例之操作單元的俯視示意圖。
圖9為本發明之另一實施例之操作單元的操作流程圖。
圖10為本發明之一實施例之操作裝置的結構示意圖。
圖11為本發明之一實施例，對應於圖8的局部區域放大之結構示意圖。
圖12為本發明之另一實施例之操作裝置的結構示意圖。
圖13為本發明之另一實施例，對應於圖12的局部區域放大之結構示意圖。
圖14A與圖14B為本發明之一實施例之操作單元的電場模擬示意圖。
圖15A與圖15B為本發明之另一實施例之操作單元的電場模擬示意圖。
圖16A與圖16B為本發明之另一實施例之操作單元的電場模擬示意圖。
圖17A與圖17B為一比較例之操作單元的電場模擬示意圖。
本發明之各實施例中，這裡使用的術語僅僅是為了描述特定實施例的目的，而不是限制性的。如本文所使用的，除非內容清楚地指示，否則單數形式”一”、”一個”和”該”旨在包括複數形式，包括”至少一個”。如本文所使用的，術語”一”包括一個或多個相關所列項目的任何和所有組合。
本發明之各實施例中，「上」、「下」、「左」、「右」、「前」或「後」在本文中用於描述一個元件與另一元件的關係，僅用來說明在圖示中所呈現的方位，並非限制其實際位置。附圖中的裝置不因為裝置的翻轉而限制其元件的方位或取向。
圖1A為本發明之一實施例之操作單元的俯視示意圖。圖1B為本發明之一實施例之操作單元的透視示意圖。圖1C為本發明之一實施例，對應於圖1B中沿著截面線A-A’之截面示意圖。請同時參考圖1A、圖1B與圖1C，本發明之操作單元100，適用於操作生物粒子。生物粒子例如可為奈米級生物粒子、微奈米級生物粒子或微米級生物粒子，不限於人造生物粒子或自然生物粒子， 亦不限於健康生物粒子、感染生物粒子或改質生物粒子，亦不限於操作存活生物粒子或死亡生物粒子，可依照需求選擇適當的生物粒子。生物粒子例如可為微生物的完整與部分的結構體、各種生物細胞的完整與部分的結構體、人體細胞的完整與部分的結構體或其他細胞的完整與部分的結構體，但不限於此。其中，部分的結構體例如是去氧核醣核酸(deoxyribonucleic acid；DNA)、核糖核酸(ribonucleic acid；RNA)、蛋白質(protein)、抗體(antibody)、單株抗體(Monoclonal Antibody；mAb)、多株抗體(Polyclonal Antibody；pAb)、酵素(enzyme)、粒線體(mitochondrion)等，以上僅為舉例，但不限於此。各種微生物例如是病毒(virus)、支原體(mycoplasma)、衣原體(Chlamydia)、立克次體(Rickettsia)、細菌(bacteria)、真菌(fungus)、黴菌(mold)、藻菌(phycomycete)、放射線菌(Actinobacteria)、原生動物(protozoa)、原核生物(prokaryotes)與真核生物(eukaryotes)等，以上僅為舉例，但不限於此。生物細胞例如是原核細胞(prokaryotic cell)、真核細胞(eukaryotic cell)、植物細胞(plant cell)、動物細胞(animal cell)等，不限於單細胞生物或多細胞生物，以上僅為舉例，但不限於此。人體細胞例如是紅血球(erythrocyte)、白血球(leukocyte)等，以上僅為舉例，但不限於此。其他細胞例如是腫瘤細胞(tumor cell)、融合瘤細胞(hybridoma cell)等，以上僅為舉例，但不限於此。
請參考圖1A、圖1B與圖1C，本發明之操作單元100，至少包括基板102、核心電極110、內電極120、外電極130以及絕緣層140。核心電極110、內電極120、外電極130以及絕緣層140均設置在基板102上。基板102例如可為半導體基板、陶瓷基板、玻璃基板、塑膠基板或其組合。半導體基板的材質例如是矽(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、磷化銦(InP)、碳化矽(SiC)、氮 化鎵(GaN)或氮化鋁鎵(AlGaN)等，但不限於此。陶瓷基板的材質例如是氧化矽(SiOx)、氮化矽(SiNy)、氧化鋁(AlOx)或氮化鋁(AlNy)等，或上述材料的組合，但不限於此。玻璃基板的材質例如是鈉鈣玻璃(Soda Lime Glass)、硼矽玻璃(Borosilicate Glass)、鉛玻璃、石英玻璃、強化玻璃等，或上述材料的組合，但不限於此。塑膠基板的材質例如是聚醯胺(polyamide；PA)、聚亞醯胺(polyimide；PI)、聚碳酸酯(polycarbonate；PC)、聚氨酯(polyurethane；PU)、聚乙烯亞胺(polyethylenimine；PEI)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylene naphthalate；PEN)、聚對苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate；PET)、聚醚碸(polyethersulfone；PES)、玻璃纖維強化塑膠(fiber reinforced plastics；FRP)、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methyl methacrylate)；PMMA)、聚醚醚酮(polyetheretherketon；PEEK)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane；PDMS)等，或是其他壓克力系(acrylate)聚合物、醚系(ether)聚合物、聚烯(polyolefin)系聚合物、環氧樹脂系聚合物、或其它合宜的材料、或上述材料的組合，但不限於此。
請參考圖1A、圖1B與圖1C，操作單元100之核心電極110設置在基板102上。核心電極110具有至少一核心工作電極112，亦即具有一或多個核心工作電極112。在核心工作電極112下方可選擇性地設置核心連接電極114，電性連接核心工作電極112。若核心電極110使用多個核心工作電極112亦即可使用核心連接電極114電性連接。核心工作電極112可為點狀電極，點狀電極的形狀例如是半球形、半橢球形、圓錐形、圓柱形、半球加圓柱形、圓錐加圓柱形、角錐形、角柱形、角錐加角柱形、星錐形、星柱形、星錐加星柱形、香菇形等，或其它合宜的形狀，但不限於此。其中角錐形例如為三角錐形、四角錐形、五角錐形、六角錐形、八角錐形等，角柱形例如為三角柱、四角柱、五角柱、六 角柱、八角柱等。其中星錐形例如為三角星錐形、四角星錐形、五角星錐形、六角星錐形、八角星錐形等，星柱形例如為三角星柱、四角星柱、五角星柱、六角星柱、八角星柱等。以上僅為舉例說明，可依照產品需求選擇適當點狀電極的形狀，並不限制其形狀。在此實施例中，核心工作電極112使用奈米級的圓柱形電極作為舉例說明，並不限制核心工作電極112的大小與形狀。在一變化實施例中，若使用複數個核心工作電極112，核心連接電極114則例如可使用盤狀電極、環狀電極或其他形狀電極，藉以連接所有的核心工作電極112。
請參考圖1A、圖1B與圖1C，操作單元100之內電極120設置在基板102上，可設置一或多個內電極120，並不限制。內電極120具有複數個第一工作電極122與一第一連接電極124，且第一連接電極124電性連接所有第一工作電極122。如圖1A與圖1B所示，第一工作電極122圍繞核心工作電極112，複數個第一工作電極122並不限制數量，僅需達到足夠的操作電場即可。在此實施例中，第一工作電極122的分布僅以近似六角形分布來舉例說明，第一工作電極122的分布亦可分布近似圓形、橢圓形、三角形、四角形、五角形、八角形、三角星形、四角星形、五角星形、六角星形、八角星形等，但不限制。每一第一工作電極122的形狀可為點狀電極，詳細的點狀電極形狀可參考前述的核心工作電極112，於此不再贅述。在此實施例中，使用12個第一工作電極122進行舉例說明，第一工作電極122的點狀電極可使用奈米級的圓柱形電極作為舉例說明，並不限制第一工作電極122的大小與形狀。第一工作電極122亦可以使用不同於核心工作電極112的形狀。第一工作電極122跟核心工作電極112之間具有第一平均距離D1，例如可使用核心工作電極112之幾何中心做為原點，量測每一第一工作電極122的中心點到核心工作電極112之幾何中心的距離，並且計算其平均 值，即可獲得第一平均距離D1，也就是內電極平均半徑R1(未顯示)。第一工作電極122的第一平均距離D1可參考目標生物粒子的大小與種類來設計，但是並不限制。這些第一工作電極122具有一第一平均直徑L1，而第一工作電極122之間具有一第一平均間距S1。第一工作電極122的第一平均直徑L1與第一平均間距S1可參考目標生物粒子的大小與種類來設計，但是並不限制。第一平均直徑L1與第一平均間距S1的比值L1/S1，例如大致上可介於0.01~10之間，可依照操作電場的分布來適當設計與調整，藉此達到理想的電場分布。
請參考圖1B與圖1C，在第一工作電極122下方設置第一連接電極124，電性連接所有第一工作電極122。第一連接電極124的形狀可對照第一工作電極122的分布來設計，也可另行設計，並不限制。在此實施例中，第一連接電極124的形狀僅以六角環形來舉例說明，第一連接電極124的形狀例如亦可為圓環形、橢圓環形、三角環形、四角環形、五角環形、八角環形、三角星環形、四角星環形、五角星環形、六角星環形、八角星環形等，但不限制。由於第一連接電極124電性連接所有第一工作電極122，因此第一連接電極124所接收的AC電壓可快速地傳遞至所有第一工作電極122，使第一工作電極122形成所需的操作電場。
請參考圖1A、圖1B與圖1C，操作單元100之外電極130設置在基板102上，可設置一或多個外電極130，並不限制。外電極130具有複數個第二工作電極132與一第二連接電極134，且第二連接電極134電性連接所有第二工作電極132。如圖1A與圖1B所示，第二工作電極132圍繞第一工作電極122，複數個第二工作電極132並不限制數量，僅需達到足夠的操作電場即可。在此實施例中，第二工作電極132的分布僅以近似六角形分布來舉例說明，第二工作電極 132的分布亦可分布近似圓形、橢圓形、三角形、四角形、五角形、八角形、三角星形、四角星形、五角星形、六角星形、八角星形等，但不限制。每一第二工作電極132的形狀可為點狀電極，詳細的點狀電極形狀可參考前述的核心工作電極112，於此不再贅述。在此實施例中，使用24個第二工作電極132進行舉例說明，第二工作電極132的點狀電極可使用奈米級的圓柱形電極作為舉例說明，並不限制第二工作電極132的大小與形狀。第二工作電極132亦可以使用不同於核心工作電極112與第一工作電極122的形狀。第二工作電極132跟第一工作電極122之間具有第二平均距離D2。例如，可使用核心工作電極112之幾何中心做為原點，量測每一第二工作電極132的中心點到核心工作電極112之幾何中心的距離，並且計算其平均值，即可獲得外電極平均半徑R2(未顯示)。以外電極平均半徑R2減去第一平均距離D1(或內電極平均半徑R1)即可獲得第二平均距離D2。也就是，D2=R2-R1=R2-D1。第一平均距離D1與第二平均距離D2的比值D1/D2，例如大致上可介於0.1~10之間，可依照操作電場的分布來適當設計與調整。另外，這些第二工作電極132具有一第二平均直徑L2，而第二工作電極132之間具有一第二平均間距S2。第二工作電極132的第二平均直徑L2與第二平均間距S2可參考目標生物粒子的大小與種類來設計，但是並不限制。第二平均直徑L2與第二平均間距S2的比值L2/S2，例如大致上可介於0.01~10之間，可依照操作電場的分布來適當設計與調整。
另外，藉此也可以獲得外電極平均直徑T，等於二倍的外電極平均半徑R2(或第一平均距離D1加第二平均距離D2)。也就是，T=2R2=2(D1+D2)。第二工作電極132的第二平均距離D2與外電極平均直徑T可參考目標生物粒子的大小與種類來設計，但是並不限制。另外，欲操作的目標生物粒子例如 具有平均直徑P，比如是介於0.001微米至1000微米之間，例如較佳是操作0.01微米至100微米之間的生物粒子，但不限制。外電極平均直徑T跟生物粒子之平均直徑P的比值T/P，例如大致上可介於0.1~5之間，可依照操作電場的分布來適當設計與調整，但不限於此。利用此設計，可以增進操作單一個目標生物粒子趨近並且吸附於核心工作電極112的機率。
請參考圖1B與圖1C，在第二工作電極132下方設置第二連接電極134，電性連接所有第二工作電極132。第二連接電極134的形狀可對照第二工作電極132的分布來設計，也可另行設計，並不限制。在此實施例中，第二連接電極134的形狀僅以六角環形來舉例說明，第二連接電極134的形狀例如亦可為圓環形、橢圓環形、三角環形、四角環形、五角環形、八角環形、三角星環形、四角星環形、五角星環形、六角星環形、八角星環形等，但不限制。核心連接電極114、第一連接電極124與第二連接電極134例如可以近似同心環方式設置，但不限制。由於第二連接電極134電性連接所有第二工作電極132，因此第二連接電極134所接收的AC電壓可快速地傳遞至所有第二工作電極132，使第二工作電極132形成所需的操作電場。
請參考圖1A、圖1B與圖1C，操作單元100之絕緣層140設置在基板102上。其中，絕緣層140覆蓋第一連接電極124與第二連接電極134，可避免非必要的焦耳熱外溢。另外，絕緣層140也可減少第一連接電極124與第二連接電極134產生的焦耳熱傳遞到附近溶液，造成液體流動，破壞介電泳力效果。若核心電極110有使用核心連接電極114，且核心連接電極114大於核心工作電極112，絕緣層140亦可覆蓋核心連接電極114。如圖1B與圖1C所示，核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132凸出於絕緣層140。核心工作電極 112、第一工作電極122與第二工作電極132例如均為點狀電極，因此可輕易地達到所需的操作電場強度，相對地仍可大幅地降低操作所需的電壓。因此在核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132處，可以完善地操作目標生物粒子，同時可以減少非必要的功率發生，產生局部區域的高溫，造成鄰近區域的目標生物粒子操控被破壞，甚至目標生物粒子死亡。此外，本發明之電極設計可以達到理想的操作目標生物粒子的目的。
請參考圖1A、圖1B與圖1C，本發明之第一工作電極122圍繞核心工作電極112，且第二工作電極132圍繞第一工作電極122。核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132例如可以近似同心環方式設置，但不限制。藉此電極設計，在核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132分別施加所需的操作電壓，藉由介電泳力可輕易地吸引目標生物粒子，往第二工作電極132、第一工作電極122與核心工作電極112聚集，然後附著於核心工作電極112。在此實施例中，可控制至多只有單層目標生物粒子可被核心工作電極112吸附的機率。本發明藉由第一工作電極122圍繞核心工作電極112，且第二工作電極132圍繞第一工作電極122的設計，可以輕易地吸引目標生物粒子往核心工作電極112移動，並且高度均一性地吸附於核心工作電極112。
圖2A至圖2C為本發明之一實施例，對應於圖1C之製造流程示意圖。在此實施例中，僅以一製造方法舉例說明操作單元100的製造方法，但不限於此製造方法。請參考圖2A，首先提供一基板102，關於基板102的詳細說明，可參考前述圖1A至圖1C的相關說明，於此不再贅述。在此實施例中，基板102使用一半導體基板舉例說明，且在半導體基板上形成一層絕緣層(未圖示)，方便後續的製程說明。請參考圖2B，接著在基板102上形成圖案化絕緣層1401。例 如先形成一層絕緣層，比如以化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition；CVD)形成絕緣層。然後以微影(Photolithography)與蝕刻(Etching)製程，在絕緣層內形成所需的溝槽圖案，藉此形成所需的圖案化絕緣層1401。或著，可使用旋轉塗佈(Spin on coating)製程，在基板102上形成一層負型光阻層，然後使用微影製程在光阻層內形成所需的溝槽圖案。之後固化負型光阻層，形成所需的圖案化絕緣層1401。絕緣層1401的材質例如為氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、四乙氧基矽烷等或是其他的低介電常數(low dielectric constant)材質，但不限於此。
請參考圖2B，在圖案化絕緣層1401內形成圖案化導電層190，包括核心連接電極114、第一連接電極124與第二連接電極134。圖案化導電層190例如可以先形成一層導電層覆蓋圖案化絕緣層1401，並且填滿圖案化絕緣層1401內的溝槽。導電層例如可使用原子層沉積(Atomic Layer Depostion；ALD)、物理氣相沉積(Physical Vapor Depostion；PVD)、化學氣相沉積(CVD)、電子束蒸鍍(Electron Beam Evaporation)、濺鍍、電鍍等，或其他適合的製程形成。接著，使用化學機械研磨(Chemical Mechanical Polish；CMP)製程進行平坦化，移除圖案化絕緣層1401上多餘的導電層部分，僅留下溝渠內的導電層部分，藉以形成所需的圖案化導電層190。圖案化導電層190的材質例如是銅、鋁、鈦、鎳、鎢、銀、金、銅鋁合金(AlCu)、銅鋁矽合金(AlSiCu)等或其組合，或其他適合的導電材質，但不限於此。
請參考圖2C，接著形成圖案化絕緣層1402與圖案化導電層192，圖案化導電層192包括核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132。圖案化絕緣層1401與圖案化絕緣層1402構成絕緣層140。例如，預先形成跟圖案化導電層192約略相同厚度圖案化絕緣層，並且在圖案化絕緣層中形成預 先需要的圖案，關於圖案化絕緣層的製作方法可參考前述圖案化絕緣層1401的製作方法，於此不再贅述。接著，在圖案化絕緣層內形成圖案化導電層192，關於圖案化導電層192的製作方法可參考前述圖案化導電層190的製作方法。然後，例如以具有蝕刻選擇性的蝕刻製程，減去圖案化絕緣層的部分厚度，使圖案化導電層192露出，形成所需的圖案化絕緣層1402、核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132。在一變化實施例中，圖案化導電層192可以二段式形成。先形成圖案化絕緣層1402，接著在圖案化絕緣層1402內形成圖案化導電層的下段部分192a，跟圖案化絕緣層1402的厚度約略相同。然後例如使用沉積、微影與蝕刻製程在圖案化導電層的下段部分192a上形成露出的上段部分192b，由下段部分192a與上段部分192b構成圖案化導電層192。下段部分192a與上段部分192b可使用相同材質或不同材質，可參考圖案化導電層190的材質。上段部分192b或是上段部分192b的表面亦可以使用環境阻抗性較高的材質，例如鎢、鈦、鉭、鎳、鋁、金、鎳鉻合金、氮化鈦、氮化鎳、氮化鉭、氮化鋁等，但不限於此。在另一變化實施例中，也可以先形成圖案化導電層190與圖案化導電層192，然後在形成絕緣層140，此為本領域技術人員所熟知，因此不再贅述。
請參考圖2C，圖案化導電層192中，核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132例如可具有相同的高寬比(aspect ratio)，或是不同的高寬比，可依照產品設計需求調整。以第一工作電極122為例，第一工作電極122具有第一平均直徑L1(相當於寬度)，第一工作電極122具有第二平均高度H2，例如是介於0.002微米至20微米之間，但不限於此。第一工作電極122凸出絕緣層140表面的部分具有第一平均高度H1，例如是介於0.001微米至10微米之 間，但不限於此。其中，第一工作電極122的高寬比H2/L1，比如是約介於0.05至20之間。第一工作電極122之露出部分高寬比H1/L1，比如是約介於0.1至10之間。核心工作電極112與第二工作電極132的高寬比可參考第一工作電極122的高寬比設計，但不限制。核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132的尺寸可依照需求調整，並不限制。利用上述核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132凸出於絕緣層140表面的設計，僅需相對極小的電壓，即可輕易地形成所需的高強度電場。本發明的設計大幅地縮小核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132的電極半徑與電極面積。利用兩個原理，(1)電場=電壓/電極半徑(E=V/RE)，(2)電流正比於電極面積(I
Figure 112101423-A0305-02-0021-2
AE)。相對於傳統的電極設計，所產生的焦耳熱例如僅不到百分之一(1/100)。因此，可以避免非必要的功率產生，避免產生非必要的焦耳熱傳導到溶液，造成局部區域形成高溫，造成液體流動，或是周邊的溶液因為焦耳熱而形成熱對流(heat convention)或是熱紊流(thermal turbulent flow)，可以減少生物粒子非必要流動。所以，可以減少非必要的焦耳熱傳遞到生物粒子，可大幅度地提升生物粒子的操控。
圖3為本發明之一實施例之操作單元的操作流程圖。本發明之操作單元100可參考前述圖1A至圖2C的實施例設計。在一實例中，生物粒子以平均直徑P約為7微米的細胞為例，操作單元100之外電極平均直徑T可設計為約5微米。例如，第一工作電極122可設計為6個圓形分布，第一平均距離D1可設計為約1.5微米，第一平均直徑L1可設計為約0.3微米，第一平均高度H1可設計為約0.3微米。第二工作電極132可設計為12個圓形分布，第二平均距離D2可設計 為約1.0微米，第二平均直徑L2可設計為約0.3微米，第一平均高度H1可設計為約0.3微米。以上實例僅用於舉例說明，但不限制。
請參考圖3，首先，在操作單元100上放置含有目標生物粒子的溶液(步驟S110)。在此實施例中，目標生物粒子以紅血球細胞為例，溶液可為適合紅血球細胞生存的溶液，溶液例如可為適合的水溶液，例如磷酸系緩衝溶液，但不限於此。在其他的實施例中，含有其他種類目標生物粒子的溶液亦可為其他種類的溶液，例如有機溶液、膠體溶液、高分子溶液、混合溶液或氣體溶液(可使用蓋板輔助)等，但不限制。例如可使用滴管裝置在操作單元100上滴上含有目標生物粒子的溶液，或是可選擇性地使用蓋板(未顯示)輔助流入溶液。
接著，在核心工作電極112與第二工作電極132施加操作電壓，藉由介電泳力吸引目標生物粒子，往核心工作電極112聚集(步驟S120)。例如，可在核心工作電極112施加定電壓或是接地。在第二工作電極132施加交流(AC)電壓。所施加的AC電壓為介電泳電壓，頻率例如介於10赫茲(Hz)至100MHz之間，可依照介電泳操作調整。施加AC電壓例如可介於+10V至-10V之間，甚至可介於+1V至-1V之間，施加AC電壓的絕對值例如可介於1V至50V，但不限制，可依照介電泳操作調整。依照施加的AC電壓，大致上可區分為正介電泳(positive Dielectrophoresis；PDEP)，例如AC電壓可介於+10V至-10V之間，以及負介電泳(negative Dielectrophoresis；NDEP)，例如AC電壓可介於-10V至+10V之間。以紅血球細胞為例，施加AC電壓例如可介於+10V至-10V之間，在溶液中容易受到PDEP的介電泳力吸引，使紅血球細胞往核心工作電極112方向聚集。
在傳統的介電泳力的計算模型中，經常用於生物粒子的操作與分離，可以更精確地計算出介電泳力。介電泳力的計算公式如下：FDEP=2 π εmr3 Re[fCM(ω)]▽｜E｜2 (1)
介電泳力(FDEP)為生物粒子所受的介電泳力，εm為溶液的介電常數，r為生物粒子的半徑，fCM(ω)為克勞修斯-莫索提因子(Clausius-Mossotti factor)，ω為電場角頻率，Re[fCM(ω)]為克勞修斯-莫索提因子的實部，▽｜E｜2為電場平方的梯度。其中，當Re[fCM(ω)]>0，產生正介電泳(PDEP)，生物粒子向電極方向移動；當Re[fCM(ω)]<0，產生負介電泳(NDEP)，生物粒子向遠離電極方向移動。藉由配合溶液的介電常數，且調整至適當的交流電壓頻率，產生正介電泳(PDEP)，即可操作生物粒子往核心工作電極112方向聚集。
另外，各種不同大小的生物粒子可使用不同的臨界強度電場(E-critical)來進一步調控進入的生物粒子。例如，病毒與蛋白質約為108V/m，細菌約為106V/m，真菌約為105V/m，血球與細胞約為104V/m。本發明之第二工作電極132可輕易地形成約106V/m電場強度，所以可以輕易地操作紅血球細胞，且不會造成紅血球細胞死亡。若需要操作病毒與蛋白質亦可輕易地調整到108V/m電場強度，且不易破壞病毒與蛋白質結構。
然後關掉第二工作電極132操作電壓，在核心工作電極112與第一工作電極122施加操作電壓，藉由介電泳力吸引目標生物粒子，附著於核心工作電極112(步驟S130)。利用時序的電壓控制，調整第二工作電極132與第一工作電極122上的操作電壓。例如，可在第二工作電極132施加AC電壓介於+10V至-10V之間，可在第一工作電極122施加AC電壓介於+5V至-5V之間，但不限制。即可使吸引到第二工作電極132附近的紅血球細胞進入第一工作電極122內，大致上 吸附於核心工作電極112。若有需要亦可在核心工作電極112施加交流(AC)電壓，進一步吸引紅血球細胞吸附於核心工作電極112。由於核心工作電極112與第一工作電極122之間的距離相當小，只有單層生物粒子可被核心工作電極112吸附，其他的非目標生物粒子則不會被吸附，仍懸浮於溶液之中。
接著，清洗操作單元100上的溶液，去除非目標生物粒子，保留目標生物粒子(步驟S140)。例如使用不含任何粒子的潔淨溶液，對操作單元100進行清洗操作，去除非目標生物粒子。由於目標生物粒子大致上吸附於核心工作電極112，在清洗時仍然施加操作電壓，因此可以維持目標生物粒子吸附狀態，不會受到清洗溶液沖洗而掉落。由於清洗溶液也是適合生物粒子生存的潔淨溶液，因此在清洗過程也不易造成生物粒子死亡或被破壞。
最後，對目標生物粒子進行分離(步驟S150)。對核心工作電極112與第一工作電極122停止施加操作電壓或是施加反向電壓，使目標生物粒子與操作單元100分離，進而可以達到分離純化目標生物粒子的效果。使用多個操作單元100即可達到大量分離與純化目標生物粒子的效果。後續將以複數個操作單元100構成陣列排列進行說明，達到高通量的純化效果。
圖4A為本發明之另一實施例之操作單元的俯視示意圖。圖4B為本發明之另一實施例之操作單元的透視示意圖。圖4C為本發明之另一實施例，對應於圖4B中沿著截面線B-B’之截面示意圖。在此實施例中，跟前述圖1A至圖1C的實施例近似，相同的標號可對照參考，但並不限制。請參考圖4A、圖4B與圖4C，在外電極130之外側，可選擇性地增加輔助外電極150的設計，增進對目標生物粒子的吸引力。輔助外電極150例如圍繞於外電極130之外側，輔助外電極150可採用相同或不同的圖案設計。在此實施例中，輔助外電極150例如採 用方形設計，不同於外電極130的六角形設計，有助於複數個操作單元100排列成陣列，但並不限制輔助外電極150的設計。
請參考圖4A、圖4B與圖4C，在此實施例中，本發明之操作單元100，除了至少包括基板102、核心電極110、內電極120、外電極130以及絕緣層140外，更選擇性地包括輔助外電極150。核心電極110、內電極120、外電極130、絕緣層140以及輔助外電極150均設置在基板102上。關於基板102、核心電極110、內電極120、外電極130、絕緣層140的詳細說明，可參考前述圖1A至圖1C的實施例的說明，於此不再贅述。
請參考圖4A、圖4B與圖4C，在此實施例中，操作單元100之輔助外電極150設置在基板102上，可設置一或多個輔助外電極150，並不限制。輔助外電極150具有複數個第三工作電極152，以及連接所有第三工作電極152的第三連接電極154。如圖4A與圖4B所示，第三工作電極152圍繞第二工作電極132，複數個第三工作電極152並不限制數量，僅需達到足夠的操作電場即可。核心工作電極112、第一工作電極122、第二工作電極132與第三工作電極152例如可以近似同心環方式設置，但不限制。在此實施例中，第三工作電極152的分布僅以近似四角形分布來舉例說明，第三工作電極152的分布亦可分布近似圓形、橢圓形、三角形、五角形、六角形、八角形、三角星形、四角星形、五角星形、六角星形、八角星形等，但不限制。每一第三工作電極152的形狀可為點狀電極，詳細的點狀電極形狀可參考前述的核心工作電極112、第一工作電極122或第二工作電極132，於此不再贅述。在此實施例中，使用40個第三工作電極152進行舉例說明，第三工作電極152的點狀電極可使用奈米級的圓柱形電極作為舉例說明，並不限制第三工作電極152的大小與形狀。第三工作電極152亦可以使用不 同於核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132的形狀。第三工作電極152跟第二工作電極132之間具有第三平均距離D3。例如，可使用核心工作電極112之幾何中心做為原點，量測每一第三工作電極152的中心點到核心工作電極112之幾何中心的距離，並且計算其平均值，即可獲得輔助外電極平均半徑R3(未顯示)。以輔助外電極平均半徑R3減去第二平均距離D2(或外電極平均半徑R2)即可獲得第三平均距離D3。也就是，D3=R3-R2=R3-D2。第二平均距離D2與第三平均距離D3的比值D2/D3，例如大致上可介於0.1~10之間，可依照操作電場的分布來適當設計與調整。另外，這些第三工作電極152具有一第三平均直徑L3，而第三工作電極152之間具有一第三平均間距S3。第三工作電極152的第三平均直徑L3與第三平均間距S3可參考目標生物粒子的大小與種類來設計，但是並不限制。第三平均直徑L3與第三平均間距S3的比值L3/S3，例如大致上可介於0.01~10之間，可依照操作電場的分布來適當設計與調整。此外，第三工作電極152的凸出絕緣層140表面的部分具有第一平均高度H1，第三工作電極152具有第二平均高度H2。此部分可對照參考前述第一工作電極122之相關說明，於此不再贅述。
請參考圖4B與圖4C，在第三工作電極152下方設置第三連接電極154，電性連接所有第三工作電極152。第三連接電極154的形狀可對照第三工作電極152的分布來設計，也可另行設計，並不限制。在此實施例中，第三連接電極154的形狀僅以四角環形來舉例說明，第三連接電極154的形狀例如亦可為圓環形、橢圓環形、三角環形、五角環形、六角環形、八角環形、三角星環形、四角星環形、五角星環形、六角星環形、八角星環形等，但不限制。由於第三連接電極154電性連接所有第三工作電極152，因此第三連接電極154所接收的 AC電壓可快速地傳遞至所有第三工作電極152，使第三工作電極152形成所需的操作電場。藉由輔助外電極150的設計，增進外圍對目標生物粒子的吸引力，吸引目標生物粒子趨近，有利於後續外電極130與內電極120的續行吸引力，繼續吸引目標生物粒子往核心工作電極112靠近。另外，輔助外電極150的設計有助於複數個操作單元100進行陣列排列，但並不限制。本發明藉由第一工作電極122圍繞核心工作電極112，第二工作電極132圍繞第一工作電極122，且第三工作電極152圍繞第二工作電極132的設計，可以輕易地吸引目標生物粒子往核心工作電極112移動，並且大致上吸附於核心工作電極112。
圖5A為本發明之另一實施例之操作單元的透視示意圖。圖5B為本發明之另一實施例，對應於圖5A中沿著截面線C-C’之截面示意圖。請參考圖5A與圖5B，在此實施例中舉例說明利用介層窗插塞(Via Plug)，將核心連接電極114、第一連接電極124、第二連接電極134與第三連接電極154分別電性連接至對應的連接線，用於施加操作電壓。此設計可應用於形成大型矩陣排列的複數個操作單元100，適用於高通量(High Flux)操作的需求。
請參考圖5A，核心電極110的核心連接電極114可經由介層窗插塞312電性連接至核心連接線310。核心連接線310例如可設計沿著列方向延伸，且電性連接至定電壓或接地，但不限制。內電極120的第一連接電極124可經由介層窗插塞322電性連接至第一連接線320。第一連接線320例如可設計沿著行方向延伸，且電性連接至第一交流(AC)電壓。外電極130的第二連接電極134可經由介層窗插塞332電性連接至第二連接線330。第二連接線330例如可設計沿著行方向延伸，且電性連接至第二交流(AC)電壓。輔助外電極150的第三連接電極154可經由介層窗插塞352電性連接至第三連接線350。第三連接線350例如可設 計沿著行方向延伸，且電性連接至第三交流(AC)電壓。可利用時序(Time Sequence)控制，依序在第三連接線350、第二連接線330與第一連接線320施加操作電壓，例如，可在第三連接線350施加AC電壓介於+15V至-15V之間，可在第二連接線330施加AC電壓介於+10V至-10V之間，可在第一連接線320施加AC電壓介於+5V至-5V之間，但不限制。藉由介電泳力吸引目標生物粒子逐步靠近核心電極110，達到目標生物粒子吸附於核心電極110的目的。
請參考圖5B，在此實施例中，舉例說明使用兩層圖案化導電層170、172來製作連接線，並且達到所需的電性隔離，但並不限制。在基板102上例如形成有絕緣層142，比如是介金屬介電層(Intermetal Dielectric Layer；IMD)，可依照需求調整。接著，在絕緣層142上形成圖案化導電層170、介層窗插塞311與絕緣層144，其詳細的製作方法可參考前述圖2A至圖2C的實施例說明，於此不再贅述。圖案化導電層170即包含核心連接線310。然後，在絕緣層144上形成圖案化導電層172、介層窗插塞312、322、332、352與絕緣層146，其詳細的製作方法可參考前述實施例說明，於此不再贅述。圖案化導電層172包含第一連接線320、第二連接線330、第三連接線350，以及介層窗插塞311與介層窗插塞312之間的接墊。最後，可參考前述關於核心電極110、內電極120、外電極130以及絕緣層140的製作，於此不再贅述。在一變化實施例中，若不使用介層窗插塞，可在第一連接電極124、第二連接電極134與第三連接電極154形成斷開缺口，即利用缺口可將核心連接線310、第一連接線320、第二連接線330、第三連接線350製作在同一層，並且分別電性連接對應的電極。此為本領域技術人員所熟知，因此不再贅述。
圖5C為本發明之另一實施例，對應於圖5B中使用場效電晶體連接核心電極之截面示意圖。在此實施例中，例如使用場效電晶體(Field Effect Transistor；FET)370電性連接核心電極110，場效電晶體(FET)比如是N型金屬氧化物半導體(N-type Metal-Oxide-Semiconductor；NMOS)場效電晶體(FET)、P型金屬氧化物半導體(P-type Metal-Oxide-Semiconductor；PMOS)場效電晶體(FET)或互補式金屬氧化物半導體場效電晶體(CMOS FET)，但不限於此。藉此進一步控制核心電極110的開關，減少非必要的功率消耗。在此實施例中，基板102使用半導體基板進行舉例說明，或者亦可使用絕緣層上矽層(Silicon On Insulator；SOI)基板替代，但不限制。首先在基板102內形成第一源極/汲極區374與第二源極/汲極區376，例如可利用離子植入製程進行摻雜形成。接著在第一源極/汲極區374與第二源極/汲極區376之間的區域上形成閘極介電層373與閘極電極372。然後在基板102上形成絕緣層142，以及接觸窗插塞(contact plug)306、308分別電性連接第一源極/汲極區374與第二源極/汲極區376。之後在絕緣層142上形成圖案化導電層170，包含電性連接接觸窗插塞306的核心連接線310，以及電性連接接觸窗插塞308的接墊。圖案化導電層170更可包含電性連接閘極電極372的操作選擇線(未圖示)，大致上平行於核心連接線310，藉以利用操作選擇線控制場效電晶體370的開關。後續的製程可參考圖5B的相關說明，於此不再贅述。當操作單元100應用至大型陣列矩陣時，場效電晶體370可關閉操作單元100，減少非操作期間產生非必要的功率消耗，避免液體流動影響對目標生物粒子的操控並增進目標生物粒子存活的機率。
圖6A為本發明之另一實施例之操作單元的俯視示意圖。圖6B為本發明之另一實施例之操作單元的透視示意圖。圖6C為本發明之另一實施例， 對應於圖6B中沿著截面線D-D’之截面示意圖。在此實施例中，跟前述圖1A至圖1C的實施例近似，相同的標號可對照參考，但並不限制。請參考圖6A、圖6B與圖6C，在核心電極110與內電極120之間，可選擇性地增設單粒子吸附電極180，增進對單一個目標生物粒子的吸附能力。
請參考圖6A、圖6B與圖6C，在此實施例中，本發明之操作單元100，除了至少包括基板102、核心電極110、內電極120、外電極130以及絕緣層140外，更可選擇性地包括單粒子吸附電極180。核心電極110、內電極120、外電極130、絕緣層140以及單粒子吸附電極180均設置在基板102上。關於基板102、核心電極110、內電極120、外電極130、絕緣層140的詳細說明，可參考前述圖1A至圖1C的實施例的說明，於此不再贅述。
請參考圖6A、圖6B與圖6C，在此實施例中，單粒子吸附電極180設置在基板102上，單粒子吸附電極180具有至少一單粒子工作電極182，亦即具有一或多個單粒子工作電極182。在單粒子工作電極182下方可選擇性地設置單粒子連接電極184，電性連接單粒子工作電極182。如圖6A與圖6B所示，單粒子工作電極182鄰近核心工作電極112設置，並不限制其數量，僅需達到足夠的操作電場即可。若單粒子吸附電極180使用多個單粒子工作電極182亦即可使用單粒子連接電極184電性連接。單粒子工作電極182可為點狀電極，點狀電極的形狀例如是半球形、半橢球形、圓錐形、圓柱形、半球加圓柱形、圓錐加圓柱形、角錐形、角柱形、角錐加角柱形、星錐形、星柱形、星錐加星柱形、香菇形等，或其它合宜的形狀，但不限於此。其中角錐形例如為三角錐形、四角錐形、五角錐形、六角錐形、八角錐形等，角柱形例如為三角柱、四角柱、五角柱、六角柱、八角柱等。其中星錐形例如為三角星錐形、四角星錐形、五角星 錐形、六角星錐形、八角星錐形等，星柱形例如為三角星柱、四角星柱、五角星柱、六角星柱、八角星柱等。以上僅為舉例說明，可依照產品需求選擇適當點狀電極的形狀，並不限制其形狀。在此實施例中，單粒子工作電極182使用奈米級的圓柱形電極作為舉例說明，並不限制單粒子工作電極182的大小與形狀。在一變化實施例中，若使用複數個單粒子工作電極182，單粒子連接電極184例如可使用盤狀電極、環狀電極或其他形狀電極，藉以連接所有的單粒子工作電極182。
請參考圖6A、圖6B與圖6C，在此實施例中，單粒子工作電極182可使用奈米級的圓柱形電極作為舉例說明，並不限制單粒子工作電極182的大小與形狀。單粒子工作電極182亦可以使用不同於核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132的形狀。在單粒子工作電極182跟核心工作電極112之間具有第四平均距離D4。例如，可使用核心工作電極112之幾何中心做為原點，量測每一單粒子工作電極182的中心點到核心工作電極112之幾何中心的距離，並且計算其平均值，即可獲得第四平均距離D4。在此實施例中，核心工作電極112與單粒子工作電極182之間的第四平均距離D4小於生物粒子的平均直徑P，可控制至多只有單一個目標生物粒子可同時被核心工作電極112與單粒子工作電極182吸附的機率。核心工作電極112與單粒子工作電極182之間的第四平均距離D4跟生物粒子之平均直徑P的比值D4/P，例如大致上可介於0.01至0.95之間，可依照操作電場的分布來適當設計與調整，但不限於此。利用此設計，可以更進一步增進操作單一個目標生物粒子趨近並且同時吸附於核心工作電極112與單粒子工作電極182的機率。此外，單粒子工作電極182具有第四平均直徑L4，此部分可對照參考前述第一工作電極122之第一平均直徑L1的相關說明， 於此不再贅述。另外，單粒子工作電極182具有第二平均高度H2，單粒子工作電極182凸出絕緣層140表面的部分具有第一平均高度H1，此部分可對照參考前述第一工作電極122之相關說明，於此不再贅述。
請參考圖6B與圖6C，在此實施例中舉例說明利用介層窗插塞382，將單粒子連接電極184電性連接至對應的單粒子連接線380，用於施加操作電壓。此設計可應用於形成大型矩陣排列的複數個操作單元100，適用於高通量操作的需求。
請參考圖6B與圖6C，單粒子吸附電極180的單粒子連接電極184可經由介層窗插塞382電性連接至單粒子連接線380。單粒子連接線380例如可設計沿著列方向延伸，且電性連接至第四交流(AC)電壓。可利用時序控制，依序在第二連接線330、第一連接線320與單粒子連接線380施加操作電壓，例如，可在第二連接線330施加AC電壓介於+10V至-10V之間，可在第一連接線320施加AC電壓介於+5V至-5V之間，可在單粒子連接線380施加AC電壓介於+1V至-1V之間，但不限制。藉由介電泳力吸引目標生物粒子逐步靠近核心電極110，達到單一個目標生物粒子同時吸附於核心電極110與單粒子吸附電極180的目的。
在此實施例中，關於操作單元100之詳細的製作方法可參考前述圖2A至圖2C的實施例的詳細說明，以及圖1至圖5C的相關說明，於此不再贅述。
圖7為本發明之另一實施例之操作單元的操作流程圖。本發明之操作單元100可參考前述圖6A至圖6C的實施例設計。在一實例中，生物粒子以平均直徑P約為15微米的細胞為例，操作單元100之外電極平均直徑T可設計為約10微米。例如，第一工作電極122可設計為12個圓形分布，第一平均距離D1 可設計為約3微米，第一平均直徑L1可設計為約0.3微米，第一平均高度H1可設計為約0.3微米。第二工作電極132可設計為24個圓形分布，第二平均距離D2可設計為約2微米，第二平均直徑L2可設計為約0.3微米，第一平均高度H1可設計為約0.3微米。單粒子工作電極182與核心工作電極112之間的第四平均距離D4可設計為約1.5微米，第四平均直徑L4可設計為約0.3微米，第一平均高度H1可設計為約0.3微米。以上實例僅用於舉例說明，但不限制。
請參考圖7，首先，在操作單元100上放置含有目標生物粒子的溶液(步驟S110)。在此實施例中，目標生物粒子以酵母細胞(Yeast cell)為例，溶液可為適合酵母細胞生存的溶液，溶液例如可為適合的水溶液，例如磷酸系緩衝溶液，但不限於此。在其他的實施例中，亦可為其他種類的溶液，但不限制。例如可使用滴管裝置在操作單元100上滴上含有目標生物粒子的溶液，或是可選擇性地使用蓋板(未顯示)輔助流入溶液。
接著，在核心工作電極112與第二工作電極132施加操作電壓，藉由介電泳力吸引目標生物粒子，往核心工作電極112聚集(步驟S120)。然後關掉第二工作電極132操作電壓，在核心工作電極112與第一工作電極122施加操作電壓，藉由介電泳力吸引目標生物粒子，附著於核心工作電極112(步驟S130)。關於步驟S120與步驟S130可參考圖3之實施例的相關說明，於此不再贅述。
接著，可選擇性地關掉第一工作電極122操作電壓，在核心工作電極112與單粒子工作電極182施加操作電壓，藉由介電泳力使目標生物粒子附著於核心工作電極112。因為核心工作電極112與單粒子工作電極182間距小於生物粒子直徑，只有單一個生物粒子可被核心工作電極112與單粒子工作電極182同時吸附(步驟S132)。利用時序的電壓控制，例如，可在單粒子工作電極182施 加第四AC電壓介於+1V至-1V之間但不限制。由於單粒子工作電極182與核心工作電極112之間的第四平均距離D4(例如約1.5微米)遠小於目標生物粒子的平均直徑P(例如約15微米)，因此可以更穩定地只有單一個目標生物粒子同時吸附於核心工作電極112與單粒子工作電極182，其他的非目標生物粒子則不會被吸附，仍懸浮於溶液之中。
接著，清洗操作單元100上的溶液，去除非目標生物粒子，保留目標生物粒子(步驟S140)。例如使用不含任何粒子的潔淨溶液，對操作單元100進行清洗操作，去除非目標生物粒子。由於目標生物粒子同時吸附於核心工作電極112與單粒子工作電極182，在清洗時仍然施加操作電壓，因此可以維持目標生物粒子吸附狀態，不會受到清洗溶液沖洗而掉落。由於清洗溶液也是適合生物粒子生存的潔淨溶液，因此在清洗過程也不易造成生物粒子死亡或被破壞。
最後，對目標生物粒子進行改質(步驟S152)。由於操作單元100內僅吸附單一個目標生物粒子，因此後續可以穩定地且精確地控制此操作單元100內的電融合(Electrofusion)或電轉染(Electro-transfection)操作。例如可使用滴管裝置在溶液中加入大量特定的改質分子(比如親水分子、DNA、RNA、蛋白質、病毒、抗體、藥物顆粒等)進行改質。例如，可選擇性地在外電極130外側設置輔助外電極150，在核心電極210施加定電壓或是接地，在輔助外電極150或是外電極130施加電融合操作電壓或是電穿孔(Electroporation)操作電壓。暫時性打開細胞的細胞膜，使特定的改質分子可以通過細胞膜中的暫時性孔洞，藉此使目標生物粒子進行電融合或電轉染，而達到改質的效果。電融合或是電穿孔電壓可為脈衝電壓或是交流電壓，電壓例如是介於1V至3000V，但不限於此。頻率可 介於10Hz至100MHz，可依照生物粒子特性進行調整。由於輔助外電極150或外電極130可輕易地形成約106V/m電場強度，所以可以使用低電壓輕易地操作目標生物粒子進行改質，且不易產生非必要的焦耳熱，造成改質後的生物粒子死亡。後續可將複數個操作單元100構成陣列排列進行改質，達到高通量的改質效果。
圖8A為本發明之另一實施例之操作單元的俯視示意圖。圖8B為本發明之另一實施例之操作單元的透視示意圖。圖8C為本發明之另一實施例，對應於圖8B中沿著截面線E-E’之截面示意圖。在此實施例中，本發明之雙聯操作單元200可進一步應用於細胞配對的細胞融合(Cell Fusion)或細胞轉染(Cell Transfection)，或是其他生物粒子的操作需求。請參考圖8A、圖8B與圖8C，雙聯操作單元200至少包括基板202、第一操作單元204、第二操作單元206、雙聯電極260與絕緣層240。第一操作單元204、第二操作單元206、雙聯電極260與絕緣層240全部設置在基板202上。第一操作單元204與第二操作單元206近似於前述的操作單元100，可對照參考，但不限制。基板202與絕緣層240可對照參考前述圖1A至圖1C實施例之基板102與絕緣層140的相關說明，於此不再贅述。雙聯操作單元200具有一對核心電極210(包含第一核心電極210a與第二核心電極210b)、一對內電極220(包含第一內電極220a與第二內電極220b)、一對外電極230(包含第一外電極230a與第二外電極230b)。第一操作單元204包含互相對應的第一核心電極210a、第一內電極220a與第一外電極230a。第二操作單元206包含互相對應的第二核心電極210b、第二內電極220b與第二外電極230b。
請參考圖8A、圖8B與圖8C，每一核心電極210(第一核心電極210a或第二核心電極210b)分別具有至少一核心工作電極212，亦即具有一或多 個核心工作電極212。在核心工作電極212下方可選擇性地設置核心連接電極214，電性連接核心工作電極212。每一內電極220(第一內電極220a或第二內電極220b)分別具有複數個第一工作電極222以及第一連接電極224，第一連接電極224電性連接所有第一工作電極222。每一外電極(第一外電極230a或第二外電極230b)分別具有複數個第二工作電極232以及第二連接電極234。關於此對核心電極210、此對內電極220與對外電極230的詳細說明，可對照參考前述圖1A至圖1C實施例之操作單元100中的核心電極110、內電極120與外電極130的相關說明，於此不再贅述。
請參考圖8A、圖8B與圖8C，雙聯電極260設置在基板202上，可設置一或多個雙聯電極260，並不限制。雙聯電極260具有複數個雙聯工作電極262以及雙聯連接電極264，且雙聯連接電極264電性連接所有雙聯工作電極262。如圖8A與圖8B所示，雙聯電極260之雙聯工作電極262大致上圍繞此對外電極230的第二工作電極232。複數個雙聯工作電極262並不限制數量，僅需達到足夠的操作電場即可。在此實施例中，雙聯工作電極262的分布僅以近似長六角形分布來舉例說明，雙聯工作電極262的分布亦可分布近似橢圓形、長四角形、長八角形等，但不限制。
每一雙聯工作電極262的形狀可為點狀電極，詳細的點狀電極形狀可參考前述圖1A至圖1C之核心工作電極112、第一工作電極122或第二工作電極132的相關說明，於此不再贅述。在此實施例中，使用48個雙聯工作電極262進行舉例說明，雙聯工作電極262的點狀電極可使用奈米級的圓柱形電極作為舉例說明，並不限制雙聯工作電極262的大小與形狀。雙聯工作電極262亦可以使用不同於核心工作電極212、第一工作電極222與第二工作電極232的形狀。第一 操作單元204與第二操作單元206之間具有第五平均距離D5。例如，可使用兩個核心工作電極212之幾何中心做為量測點，量測兩個核心工作電極212之幾何中心之間的距離，即可獲得核心平均距離DD。另外，分別使用操作單元204、206內的核心工作電極212之幾何中心做為原點，分別量測個別操作單元204、206內每一第二工作電極232的中心點到對應的核心工作電極212的距離，並且計算其平均值，即可獲得外電極平均半徑R2(未顯示)。以核心平均距離DD減去兩個操作單元204、206的外電極平均半徑R2(即D1+D2)，即可獲得第五平均距離D5。也就是，D5=DD-2R2=DD-2(D1+D2)。第五平均距離D5與外電極平均半徑R2(即D1+D2)的比值D5/R2，例如大致上可介於0.01~10之間，可依照操作電場的分布來適當設計與調整。另外，這些雙聯工作電極262具有一第五平均直徑L5，而雙聯工作電極262之間具有一第五平均間距S5。雙聯工作電極262的第五平均直徑L5與第五平均間距S5可參考目標生物粒子的大小與種類來設計，但是並不限制。第五平均直徑L5與第五平均間距S5的比值L5/S5，例如大致上可介於0.01~10之間，可依照操作電場的分布來適當設計與調整。此外，雙聯工作電極262凸出絕緣層240表面的部分具有第一平均高度H1，雙聯工作電極262具有第二平均高度H2。此部分可對照參考前述第一工作電極122之相關說明，於此不再贅述。
請參考圖8B與圖8C，在雙聯工作電極262下方設置雙聯連接電極264，電性連接所有雙聯工作電極262。雙聯連接電極264的形狀可對照雙聯工作電極262的分布來設計，也可另行設計，並不限制。在此實施例中，雙聯連接電極264的形狀僅以長六角環形來舉例說明，雙聯連接電極264的形狀例如亦可為圓環形、橢圓環形、長四角環形、長八角環形等，但不限制。由於雙聯連接電 極264電性連接所有雙聯工作電極262，因此雙聯連接電極264所接收的AC電壓可快速地傳遞至所有雙聯工作電極262，使雙聯工作電極262形成所需的操作電場。此外，在一變化實施例中，可分別在第一操作單元204與第二操作單元206內設置輔助外電極(未圖式)，分別設置在外電極230與雙聯工作電極262之間。關於輔助外電極的詳細說明，可參考圖4A至圖5C之實施例的相關說明，於此不再贅述。
圖8D為本發明之另一實施例之操作單元的俯視示意圖。請參考圖8D，在此實施例中舉例說明利用介層窗插塞，分別電性連接對應的連接線，用於施加操作電壓。此設計可應用於形成大型矩陣排列的複數個雙聯操作單元200，適用於高通量操作的需求。另外，在此實施例中可選擇性地設置一對單粒子吸附電極280(包含第一單粒子吸附電極280a與第二單粒子吸附電極280b)，增進生物粒子配對效果。此對單粒子吸附電極280(包含第一單粒子吸附電極280a與第二單粒子吸附電極280b)設置在基板202上。第一單粒子吸附電極280a設置在對應的第一核心電極210a與第一內電極220a之間，且第二單粒子吸附電極280b設置在對應的第二核心電極210b與第二內電極220b之間。第一單粒子吸附電極280a與第二單粒子吸附電極280b分別具有單粒子工作電極282，且單粒子工作電極282凸出於絕緣層240。關於第一單粒子吸附電極280a與第二單粒子吸附電極280b可對照參考圖6A至圖6C之單粒子吸附電極180的詳細說明，於此不再贅述。在雙聯操作單元200中，第一核心電極210a與第二核心電極210b的核心連接電極214可分別經由介層窗插塞312電性連接至核心連接線310a與核心連接線310b。核心連接線310a與核心連接線310b例如可分別設計沿著列方向延伸，且電性連接至定電壓或接地，但不限制。第一核心電極210a與第二核心電極210b 的核心連接電極214例如亦可分別經由場效電晶體電性連接至核心連接線310a與核心連接線310b，藉以進一步單獨控制第一核心電極210a與第二核心電極210b，有利於雙聯操作單元200進行大型化陣列矩陣設計。關於詳細的場效電晶體連接方法可參考圖5C的相關說明，於此不再贅述。內電極220a與內電極220b的第一連接電極224可分別經由介層窗插塞322電性連接至第一連接線320a與第一連接線320b。第一連接線320a與第一連接線320b例如可設計沿著行方向延伸，且分別電性連接至第一交流電壓。外電極230a與外電極230b的第二連接電極234可分別經由介層窗插塞332電性連接至第二連接線330a與第二連接線330b。第二連接線330a與第二連接線330b例如可設計沿著行方向延伸，且電性連接至第二交流電壓。單粒子吸附電極280a與單粒子吸附電極280b的單粒子連接電極284可分別經由介層窗插塞382電性連接至單粒子連接線380a與單粒子連接線380b。單粒子連接線380a與單粒子連接線380b例如可設計沿著行方向延伸，且電性連接至第四交流電壓。關於單粒子吸附電極280a與單粒子吸附電極280b可對照參考圖6A至圖6C之單粒子吸附電極180的詳細說明，單粒子連接線380a與單粒子連接線380b可對照參考圖6A至圖6C之單粒子連接線380的詳細說明，於此不再贅述。
雙聯電極260的雙聯連接電極264可經由介層窗插塞362電性連接至雙聯連接線360。雙聯連接線360例如可設計沿著行方向延伸，且電性連接至脈衝(pluse)電壓或是第五交流(AC)電壓，例如是電融合(Electrofusion)操作電壓。藉由雙聯電極260的設計，在第一操作單元204與第二操作單元206分別附著所需的目標生物粒子之後，即可使用雙聯電極260進行細胞電融合操作，藉此進行細胞融合或細胞轉染。利用雙聯工作電極262可輕易地提供足夠的操作電場，打開 細胞膜，卻不會形成過多的焦耳熱，因此在細胞操作時，可以避免細胞在操作過程中死亡，增進細胞融合或細胞轉染的成功率。
關於雙聯操作單元200的製造方法，可對照參考圖2A至圖2C中關於操作單元100的製造方法，以及圖1至圖5C的相關說明，於此不再贅述。
圖9為本發明之另一實施例之操作單元的操作流程圖。本發明之雙聯操作單元200可參考前述圖8A至圖8D的實施例設計。在一實例中，生物粒子以平均直徑P約為20微米的細胞為例，第一生物粒子例如是酵母細胞(Yeast cell)、大腸桿菌(Escherichia coli)、巴氏桿菌(Pasteurella)或是腫瘤細胞(Tumor cell)等，第二生物粒子例如是具有抗體的生物細胞，但並不限制。本領域技術人員可以依據需求，選擇適當的細胞進行操作。雙聯操作單元200例如可設計第一操作單元204與第二操作單元206的外電極平均直徑T分別為約20微米。第一操作單元204與第二操作單元206之間的第五平均距離D5可設置為約20微米。第一工作電極222的第一平均距離D1可設計為約5微米，第一平均直徑L1可設計為約0.2微米，第一平均間距S1可設計為約2微米，第一平均高度H1可設計為約0.4微米。第二工作電極232的第二平均距離D2可設計為約5微米，第二平均直徑L2可設計為約0.2微米，第二平均間距S2可設計為約2微米，第一平均高度H1可設計為約0.4微米。雙聯工作電極262貼近第二工作電極232圍繞，第五平均直徑L5可設計為約0.2微米，第五平均間距S5可設計為約2微米，第一平均高度H1可設計為約0.4微米。以上實例僅用於舉例說明，但不限制。
請參考圖9，在此實施例中，可選擇性地使用單粒子吸附電極280a與280b對第一生物粒子與第二生物粒子進行吸附。由於單粒子吸附電極280a與280b跟核心電極210a與210b之間的間距相當小，分別小於第一生物粒子與 第二生物粒子的平均直徑，因此分別只有單一個第一生物粒子與第二生物粒子可以被吸附，增進電融合或電轉染一對一配對的精準性。
請參考圖9，首先，在雙聯操作單元200上放置含有第一生物粒子的溶液(步驟S210)。在此實施例中，第一生物粒子以高細胞分裂的酵母細胞為例，但不限於此。溶液可選擇為適合酵母細胞生存的溶液，溶液例如可為適合的水溶液。在其他的實施例中，亦可為其他種類的溶液，但不限制。例如可使用滴管裝置在雙聯操作單元200上滴上含有第一生物粒子的溶液，或是可選擇性地使用蓋板(未顯示)輔助流入溶液。
接著，在第一核心電極210a與外電極230a施加操作電壓，藉由介電泳力吸引第一生物粒子，往第一核心電極210a聚集(步驟S220)。例如，可在第一核心電極210a施加定電壓或是接地。在外電極230a施加交流(AC)電壓。所施加的AC電壓為介電泳電壓，頻率例如介於10赫茲(Hz)至100MHz之間，可依照介電泳操作調整。施加AC電壓例如可介於+10V至-10V之間，甚至可介於+1V至-1V之間，可依照介電泳操作調整。調整施加AC電壓的頻率與相位，可形成正介電泳(PDEP)。以酵母細胞為例，在溶液中容易受到PDEP的介電泳力吸引，使酵母細胞往核心電極210a方向聚集。可參考前述公式(1)調整PDEP的介電泳力，於此不再贅述。
然後，關掉外電極230a操作電壓，在第一核心電極210a與內電極220a施加操作電壓、藉由介電泳力吸引第一生物粒子，附著於第一核心電極210a(步驟S230)。在關掉外電極230a操作電壓之後，例如，可在第一核心電極210a施加定電壓或是接地，在內電極220a施加PDEP介電泳的交流(AC)電壓，施加AC電壓例如可介於+5V至-5V之間，甚至可介於+1V至-1V之間，可依照介電 泳操作調整，使第一生物粒子從外電極230a向內移動至內電極220a，並且進入內電極220a，最終大致上吸附於第一核心電極210a。若有需要亦可在第一核心電極210a施加交流(AC)電壓，進一步吸引第一生物粒子吸附於第一核心電極210a。因第一核心電極210a與內電極220a間距甚小，至多只有單層第一生物粒子可被第一核心電極210a吸附。接著可選擇性地使用不含任何粒子的潔淨溶液，對雙聯操作單元200進行清洗操作，去除多餘的第一生物粒子。由於第一生物粒子吸附於第一核心電極210a，在清洗時仍然施加操作電壓，因此可以維持第一生物粒子吸附狀態，不會受到清洗溶液沖洗而掉落。由於清洗溶液也是適合第一生物粒子生存的潔淨溶液，因此在清洗過程也不易造成第一生物粒子死亡或被破壞。
接著，關掉內電極220a操作電壓，在核心電極210a與單粒子吸附電極280a施加操作電壓。因核心電極210a與單粒子吸附電極280a間距小於第一生物粒子平均直徑，至多只有單一個第一生物粒子可被核心電極210a與單粒子吸附電極280a同時吸附(步驟S232)。為了進一步確定僅有單一個第一生物粒子被吸附，因此在步驟S230之後，可選擇性地在核心電極210a與單粒子吸附電極280a施加操作電壓。例如，可在單粒子吸附電極280a施加第四AC電壓介於+1V至-1V之間，但不限制。由於單粒子吸附電極280a與核心電極210a之間的平均距離遠小於第一生物粒子的平均直徑P，因此可以更穩定地只有單一個第一生物粒子同時吸附於核心電極210a與單粒子吸附電極280a，其他的多餘的第一生物粒子則不會被吸附，仍懸浮於溶液之中。若有需要可選擇性地清洗雙聯操作單元200上的溶液，去除多餘未吸附的第一生物粒子，僅保留單粒子吸附電極280a上已吸附的單一個第一生物粒子。由於在清洗時仍然施加操作電壓，因此可以 維持第一生物粒子吸附狀態，不會受到清洗溶液沖洗而掉落。由於清洗溶液也是適合第一生物粒子生存的潔淨溶液，因此在清洗過程也不易造成第一生物粒子死亡或被破壞。
接著，在雙聯操作單元200上放置含有第二生物粒子的溶液(步驟S240)。在此實施例中，第二生物粒子以具有特定抗體細胞為例，例如亦可使用其他具有特定DNA、RNA或是蛋白質的生物細胞進行電融合或是電轉染。溶液可選擇為適合抗體細胞生存的溶液，溶液例如可為適合的水溶液。在其他的實施例中，亦可為其他種類的溶液，但不限制。例如可使用滴管裝置在雙聯操作單元200上滴上含有第二生物粒子的溶液，或是可選擇性地使用蓋板(未顯示)輔助流入溶液。在操作第二生物粒子的過程中，持續對已經吸附的第一生物粒子施加操作電壓，穩定吸附第一生物粒子，避免第一生物粒子發生掉落的情形。
接著，在第二核心電極210b與外電極230b施加操作電壓，藉由介電泳力吸引第二生物粒子，往第二核心電極210b聚集(步驟S250)。例如，可在第二核心電極210b施加定電壓或是接地。在外電極230b施加交流(AC)電壓。所施加的AC電壓為介電泳電壓，頻率例如介於10赫茲(Hz)至100MHz之間，可依照介電泳操作調整。施加AC電壓例如可介於+10V至-10V之間，甚至可介於+1V至-1V之間，可依照介電泳操作調整。調整施加AC電壓的頻率與相位，可形成正介電泳(PDEP)。以抗體細胞為例，在溶液中容易受到PDEP的介電泳力吸引，使抗體細胞往核心電極210b方向聚集。可參考前述公式(1)調整PDEP的介電泳力，於此不再贅述。
然後，關掉外電極230b操作電壓，在第二核心電極210b與內電極220b施加操作電壓，藉由介電泳力吸引第二生物粒子，附著於第二核心電極 210b(步驟S260)。在關掉外電極230b操作電壓之後，例如，可在第二核心電極210b施加定電壓或是接地，在內電極220b施加PDEP介電泳的交流(AC)電壓，使第二生物粒子從外電極230b向內移動至內電極220b，並且進入內電極220b內，最終大致上吸附於第二核心電極210b。若有需要亦可在第二核心電極210b施加交流(AC)電壓，進一步吸引第二生物粒子吸附於第二核心電極210b。因第二核心電極210b與內電極220b間距甚小，至多只有單層第二生物粒子可被第二核心電極210b吸附。接著可選擇性地使用不含任何粒子的潔淨溶液，對雙聯操作單元200進行清洗操作，去除多餘的第二生物粒子。由於第二生物粒子吸附於第二核心電極210b，在清洗時仍然施加操作電壓，因此可以維持第二生物粒子吸附狀態，不會受到清洗溶液沖洗而掉落。由於清洗溶液也是適合第二生物粒子生存的潔淨溶液，因此在清洗過程也不易造成第二生物粒子死亡或被破壞。
接著，關掉內電極220b操作電壓，在核心電極210b與單粒子吸附電極280b施加操作電壓。因核心電極210b與單粒子吸附電極280b間距小於第二生物粒子平均直徑，至多只有單一個第二生物粒子可被核心電極210b與單粒子吸附電極280b同時吸附(步驟S262)。為了進一步確定僅有單一個第二生物粒子被吸附，因此在步驟S260之後，可選擇性地在核心電極210b與單粒子吸附電極280b施加操作電壓。例如，可在單粒子吸附電極280b施加第四AC電壓介於+1V至-1V之間，但不限制。由於單粒子吸附電極280b與核心電極210b之間的平均距離遠小於第二生物粒子的平均直徑P，因此可以更穩定地只有單一個第二生物粒子同時吸附於核心電極210b與單粒子吸附電極280b，其他的多餘的第二生物粒子則不會被吸附，仍懸浮於溶液之中。若有需要可選擇性地清洗雙聯操作單元200上的溶液，去除多餘未吸附的第一生物粒子與第二生物粒子，僅保留單粒 子吸附電極280a上已吸附的單一個第一生物粒子，以及單粒子吸附電極280b上已吸附的單一個第二生物粒子。由於在清洗時仍然施加操作電壓，因此可以維持第一生物粒子與第二生物粒子吸附狀態，不會受到清洗溶液沖洗而掉落，也不易造成第一生物粒子與第二生物粒子死亡或被破壞。
由於第一操作單元204與第二操作單元206內僅分別吸附第一生物粒子與第二生物粒子，因此後續可以穩定地且精確地控制此雙聯操作單元200內的電融合操作。最後，關閉單粒子吸附電極280a及280b的電壓，同時在核心電極210a或210b之其中一個與雙聯電極260施加操作電壓，藉由介電泳的串珠效應使第一生物粒子與第二生物粒子進行一對一的準確配對，然後調整施加電壓進行電融合(步驟S270)。關閉單粒子吸附電極280a及280b的操作電壓之後，進行電融合操作。可在第一核心電極210a或第二核心電極210b之其中一個，例如是第一核心電極210a，施加定電壓或是接地，在雙聯電極260施加電融合電壓，使兩個單核細胞合併成單個多核細胞，藉此使第一生物粒子與第二生物粒子進行電融合。電融合電壓可為脈衝電壓或是交流電壓，電壓例如是介於1V至3000V，但不限於此。頻率可介於10Hz至100MHz，可依照生物粒子特性進行調整。由於雙聯電極260可輕易地形成約106V/m電場強度，且第一生物粒子與第二生物粒子相當接近，所以可以輕易地操作第一生物粒子與第二生物粒子進行電融合，大幅提高細胞配對率，且不易造成融合後的細胞死亡。由於第一生物粒子與第二生物粒子之間的距離相當接近，因此在進行電融合時，僅需施加相對較小的電壓即可形成足夠強度的電場，藉此使第一生物粒子與第二生物粒子可以快速地進行電融合。而且，在電融合操作過程中，可以隔離非必要的焦耳 熱，進一步地降低操作生物粒子死亡的機率，相對地增加電融合操作成功的機率。
另外，由於絕緣層240覆蓋雙聯電極260的雙聯連接電極264，絕緣層240有相當良好的絕電與絕熱特性，所以雙聯連接電極264所產生非必要的焦耳熱均能有效地隔離，避免焦耳熱傳遞到附近的操作溶液，進一步地降低操作生物粒子死亡的機率，同時避免焦耳熱造成周邊溶液形成熱對流或熱紊流，相對地增加電融合操作成功的機率。
圖10為本發明之一實施例之操作裝置的結構示意圖。圖11為本發明之一實施例，對應於圖10的局部區域放大之結構示意圖。請參考圖10與圖11，本發明之操作單元100可應用製作成矩陣陣列排列的操作裝置1000。尤其是可以製作成大型矩陣陣列排列的操作裝置1000，應用於高通量的生物粒子操作。操作裝置1000可以同時進行大量生物粒子操作，相對地可以增加產量，降低操作成本。本發明之操作單元100與操作裝置1000若使用場效電晶體例如可使用互補式金屬氧化物半導體(CMOS)邏輯(logic)製程製作，可輕易地完成高通量的奈米排列電極矩陣及組合設計。關於CMOS logic製程為本領域技術人員所熟知，可依照產品需求適當設計電路，於此不再贅述。另一方面，更能進一步結合CMOS logic控制線路，對多重奈米電極排列矩陣組合中，個別迴路電極排列矩陣的操控方式進行編程控制，最終達到對生物粒子做高通量的精準操控，且友善不會破壞生物粒子的完美情況。
請參考圖1A、圖1B、圖1C、圖10與圖11，操作裝置1000至少包括操作陣列410、第一控制電路420與第二控制電路430。操作陣列410跟第一控制電路420與第二控制電路430之間的連接線路僅用於表示電性連接，並不限制 連接線路的數量。操作陣列410具有複數個陣列排列的操作單元100A，全部設置在基板102上。每一個操作單元100A至少包括核心電極110、內電極120、外電極130以及絕緣層140。每一個操作單元100A的核心電極110、內電極120與外電極130互相對應。另外，每一個操作單元100A內可選擇性地設置對應的輔助外電極150。核心電極110至少包括核心工作電極112。內電極120至少包括複數個第一工作電極122以及第一連接電極124。外電極130至少包括複數個第二工作電極132與第二連接電極134。絕緣層140覆蓋所有第一連接電極124與所有第二連接電極134，所有核心工作電極112、第一工作電極122與第二工作電極132凸出於絕緣層140，且每一內電極120之複數個第一工作電極122圍繞對應的核心工作電極112，每一外電極130之複數個第二工作電極132圍繞對應的內電極120的複數個第一工作電極122。每一第一連接電極124環繞對應的核心電極110，每一第二連接電極134環繞對應的第一連接電極124。關於操作單元100A可對照參考前述實施例中操作單元100的詳細說明，於此不再贅述。操作單元100A依照行列排列形成(m*n)矩陣，其中m>0，n>0。其中，m行操作單元100A依序排列成行C1、C2、C3、……、Cm，且n列操作單元100A依序排列成列R1、R2、R3、……、Rn。藉此，矩陣排列的操作單元100A可分別標記為操作單元U11、U12、U13、……、Umn。
請參考圖10與圖11，列排列的操作單元Rn中的每一列操作單元Rn可分別電性連接至第一控制電路420。例如，可以使用核心連接線310分別電性連接每一列操作單元Rn中的核心電極110，藉以施加固定電壓或是接地。第一控制電路420例如可利用時序控制的方式控制每一列操作單元Rn的核心電極110的開關。另一方面，行排列的操作單元Cm中的每一行操作單元Cm可分別電 性連接至第二控制電路430。例如，可以使用第一連接線320分別電性連接每一行操作單元Cm中的內電極120，藉以施加第一交流電壓用來操作生物粒子。類似地，可以使用第二連接線330分別電性連接每一行操作單元Cm中的外電極130，藉以施加第二交流電壓用來操作生物粒子。另外，可選擇性地使用第三連接線350分別電性連接每一行操作單元Cm中的輔助外電極150，藉以施加第三交流電壓用來操作生物粒子。第二控制電路430可利用時序控制的方式控制每一行操作單元Cm的輔助外電極150、外電極130與內電極120的開關。藉由第一控制電路420與第二控制電路430即可控制每一個操作單元Umn的介電泳開關，使每一個操作單元Umn可以精準地操作生物粒子。當操作裝置1000應用於大型陣列排列的操作單元100A矩陣時，操作單元100A可利用圖5A與圖5B的介層窗插塞311、312、322、332、352增進操作裝置1000大型化設計的能力，也可利用圖5C的場效電晶體連接，進一步精準地控制每一操作單元100A的操作。場效電晶體與相關連接線可利用CMOS logic製程製作，並且利用編程控制操控方式操作每一個操作單元100A，如此可輕易地達到高通量操作的效果。
圖12為本發明之另一實施例之操作裝置的結構示意圖。圖13為本發明之另一實施例，對應於圖12的局部區域放大之結構示意圖。請參考圖12與圖13，本發明之雙聯操作單元200可應用製作成矩陣陣列排列的操作裝置1200。尤其是，可以製作成大型矩陣陣列排列的操作裝置1200，應用於高通量之生物粒子的電轉染或電融合。操作裝置1200可以同時進行大量生物粒子操作，相對地可以增加電轉染或電融合的成功率。本發明之雙聯操作單元200與操作裝置1200若使用場效電晶體例如可使用CMOS logic製程製作，可輕易地完成高通量的奈米排列電極矩陣及組合設計。關於CMOS logic製程為本領域技術人員所熟 知，可依照產品需求適當設計電路，於此不再贅述。另一方面，更能進一步結合CMOS logic控制線路，對多重奈米電極排列矩陣組合中，個別迴路電極排列矩陣的操控方式進行編程控制，最終達到對生物粒子做高通量的精準操控，增進電轉染或電融合的成功率，且友善不會破壞生物粒子的完美情況。
請參考圖8D、圖12與圖13，操作裝置1200至少包括雙聯操作陣列410B、第一控制電路420B與第二控制電路430B。雙聯操作陣列410B跟第一控制電路420B與第二控制電路430B之間的連接線路僅用於表示電性連接，並不限制連接線路的數量。雙聯操作陣列410B具有複數個陣列排列的雙聯操作單元200B，全部設置在基板202上。每一雙聯操作單元200B至少包括第一操作單元204、第二操作單元206、雙聯電極260與絕緣層240。另外，在第一操作單元204與第二操作單元206內可選擇性地分別設置單粒子吸附電極280a與單粒子吸附電極280b。關於雙聯操作單元200B可對照參考前述實施例中雙聯操作單元200的詳細說明，於此不再贅述。雙聯操作單元200B依照行列排列形成(m*n)矩陣，其中m>0，n>0，且m為2的倍數。其中，m行雙聯操作單元200B依序排列成行C1、C2、C3、……、Cm，且n列雙聯操作單元200B依序排列成列R1、R2、R3、……、Rn。藉此，矩陣排列的雙聯操作單元200B可分別標記為雙聯操作單元B12、B14、B16、……、Bmn。
請參考圖8D、圖12與圖13，列排列的操作單元Rn中的每一列雙聯操作單元Rn可分別電性連接至第一控制電路420B。例如，可以使用核心連接線310a、310b分別電性連接每一列雙聯操作單元Rn中的核心電極210a、210b，藉以施加固定電壓或是接地。第一控制電路420B例如可利用時序控制的方式控制每一列雙聯操作單元Rn的第一核心電極210a與第二核心電極210b的開關。另 一方面，行排列的操作單元Cm中的每一行操作單元Cm可分別電性連接至第二控制電路430B。例如，可以使用第一連接線320a、320b分別電性連接每一行操作單元Cm中對應的內電極220a、220b，藉以分別施加第一交流電壓用來操作對應的第一生物粒子與第二生物粒子。類似地，可以使用第二連接線330a、330b分別電性連接每一行操作單元Cm中對應的外電極230a、230b，藉以施加第二交流電壓用來操作對應的第一生物粒子與第二生物粒子。此外，可選擇性地使用單粒子連接線380a、380b分別電性連接每一行操作單元Cm中對應的單粒子吸附電極280a、280b，藉以施加第四交流電壓用來吸附對應的第一生物粒子與第二生物粒子，增進一對一的精準配對。另外，可使用雙聯連接線360分別電性連接每二行操作單元Cm中的雙聯電極260，藉以施加脈衝電壓或第五交流電壓用來進行電轉染或電融合。第二控制電路430B可利用時序控制的方式控制每一行操作單元Cm的外電極230a、230b與內電極220a、220b的開關。藉由第一控制電路420B與第二控制電路430B即可控制每一個雙聯操作單元Bmn的介電泳開關，使每一個雙聯操作單元Bmn可以精準地操作第一生物粒子與第二生物粒子進行電轉染或電融合。當操作裝置1200應用於大型陣列排列的雙聯操作單元200B矩陣時，雙聯操作單元200B可利用圖8D的介層窗插塞312、322、332、362、382增進操作裝置1200大型化設計的能力。另外，也可參考圖5C的場效電晶體連接第一核心電極210a、第二核心電極210b與核心連接線310a、310b，進一步精準地控制每一雙聯操作單元200B。場效電晶體與相關連接線可利用CMOS logic製程製作，並且利用編程控制操控方式操作每一個雙聯操作單元200B，如此可輕易地達到高通量操作的效果。
為了進一步檢視本發明之操作單元100的操作電場，本發明使用COMSOL Multiphysics®物理模擬分析軟體，對操作單元100進行模擬分析。本發明以三個不同實施例跟習知的比較例進行比較分析，藉此了解本發明之操作單元100可以達到高效的操作電場，所以可以減少非必要的焦耳熱產生，減少目標生物粒子在操作過程中死亡或被破壞的機率。
圖14A與圖14B為本發明之一實施例之操作單元的電場模擬示意圖。圖14B為對應於圖14A的中心區域放大示意圖。請參考圖1A、圖1B與圖14A，位在圖14A中央核心的點狀電極與四周的點狀電極係對照於本發明之操作單元100的核心電極110與內電極120。此設計結構僅用於舉例說明，本領域技術人員可依照需求調整設計結構，於此並不限制。在此實施例中，核心電極110的核心工作電極112例如採用四個核心工作電極的設計，核心工作電極的平均直徑例如約0.2微米，核心工作電極間的平均間距例如約3微米。內電極120的第一工作電極122例如採用多圈四角形排列之第一工作電極的設計，邊長例如約60微米。第一工作電極的平均直徑例如約0.2微米，第一工作電極間的平均間距例如約2微米。在四個核心工作電極施加定電壓或接地，在多圈的第一工作電極施加第一交流電壓，頻率例如為3MHz，即可形成圖14A中的電場模擬的電力線，呈現輻射狀的電力線趨向於中央的核心工作電極。從圖14A右邊的電場指標即可了解圖14A中操作單元之電場大多可達到0.5×106V/m以上。如圖14B所示，中央的核心工作電極的電場甚至可達3.71×106V/m。若有需要可以施加更高的電壓，使操作單元之電場大多區域達到1.0×106V/m以上，但並不限制。藉由圖14A中的操作單元即可達到輕易操作目標生物粒子的效果，吸引目標生物粒子靠近 第一工作電極，且大致上吸附於核心工作電極。而且可以減少非必要的焦耳熱產生，降低目標生物粒子在操作過程中死亡或被破壞的機率。
圖15A與圖15B為本發明之一實施例之操作單元的電場模擬示意圖。圖15B為對應於圖15A的中心區域放大示意圖。請參考圖1A、圖1B與圖15A，在此實施例中，核心電極110的核心工作電極112例如採用五個核心工作電極的設計。相較於圖14A與圖14B之實施例，圖15A與圖15B之實施例在四個核心工作電極的中央增加一個核心工作電極，如圖15B所示。其他的設計條件均跟圖14A與圖14B之實施例相同，於此不再贅述。從圖15A右邊的電場指標即可了解圖15A中操作單元之電場大多仍可達到0.5×106V/m以上。如圖15B所示，中央的核心工作電極的電場仍可達3.5×106V/m。圖15A中的操作單元仍然能維持相當強度的操作電場，可達到輕易操作目標生物粒子的效果。
圖16A與圖16B為本發明之另一實施例之操作單元的電場模擬示意圖。圖16B為對應於圖16A的中心區域放大示意圖。請參考圖1A、圖1B與圖-16A，在此實施例中，核心電極110的核心工作電極112例如採用九個核心工作電極的設計。相較於圖15A與圖15B之實施例，圖16A與圖16B之實施例在四個側邊中間各增加一個核心工作電極，如圖16B所示。其他的設計條件均跟圖14A與圖14B以及圖15A與圖15B之實施例相同，於此不再贅述。從圖16A右邊的電場指標即可了解圖16A中操作單元之電場大多仍可達到0.5×106V/m以上。如圖16B所示，中央的核心工作電極的電場仍可達2.84×106V/m。圖16A中的操作單元仍然能維持相當強度的操作電場，可達到輕易操作目標生物粒子的效果。
從前述三個實施例中，本發明之操作單元100可以輕易地達到操作目標生物粒子所需的電場，即使核心工作電極112的數量增加，仍然可以維持 高效的操作電場，減少非必要的焦耳熱產生，降低目標生物粒子在操作過程中死亡或被破壞的機率。
圖17A與圖17B為一比較例之操作單元的電場模擬示意圖。圖17B為對應於圖17A的中心區域放大示意圖。比較例之圖17A與圖17B的中央使用方形的盤狀電極，邊長例如約3微米，四周使用方形的環狀電極(線狀電極)，邊長例如約60微米。其他的設計條件均跟圖14A與圖14B之實施例相同，於此不再贅述。如比較例之圖17A右邊的電場指標即可了解，圖17A中操作單元之電場大幅地降低，大約僅剩0.5×105V/m，大約僅剩前述圖14A至圖16B之三個實施例之電場的十分之一。如比較例之圖17B所示，中央的盤狀電極的電場僅剩9.18×105V/m。因此，比較例之操作效果大幅度地降低，難以達到所需要的操作電場。相對地，比較例若想要達到所需的電場強度，必須施加原來十倍的電壓，並且伴隨大幅上升的電流。此高電壓與高電流造成過度的焦耳熱，使附近區域的溶液溫度大幅地上升，並且傳遞到目標生物粒子，因而造成目標生物粒子死亡或是被破壞。所以，本發明前述圖14A至圖16B之三個實施例使用點狀電極，大幅地改善電場強度與分布，輕易地達到操作所需的電場強度，且不易造成操作的生物粒子死亡或是被破壞。
綜上所述，本發明操作單元、雙聯操作單元與操作裝置，使用絕緣層覆蓋第一連接電極與第二連接電極，避免非必要的焦耳熱外溢。核心工作電極、第一工作電極與第二工作電極凸出於絕緣層，使用點狀電極增進電場形成效率與強度。第一工作電極圍繞核心工作電極，且第二工作電極圍繞第一工作電極，使目標生物粒子更容易吸附於核心工作電極。本發明的結構設計可以使用相對較小的功率，使用相對較小的電壓與電流就可以提供足夠強度的電 場，且可避免非必要的功率耗散形成焦耳熱，造成附近局部區域的高溫，對周邊溶液形成熱對流或熱紊流，減少生物粒子非必要的流動。本發明之操作單元的結構設計可輕易地吸引生物粒子吸附於核心電極，完善的操作生物粒子到目標電極上，避免在操作過程中造成生物粒子死亡或是生物粒子被破壞。此外，雙聯操作單元之雙聯電極可以使用較低的操作電壓即可達到所需的操作電場強度，同時避免非必要的焦耳熱傳遞到操作的生物粒子，進一步地降低操作生物粒子死亡的機率，且可對生物粒子做精準配對，增加電融合操作成功的機率。
本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。
100:操作單元
102:基板
110:核心電極
112:核心工作電極
114:核心連接電極
120:內電極
122:第一工作電極
124:第一連接電極
130:外電極
132:第二工作電極
134:第二連接電極
140:絕緣層
D1:第一平均距離
D2:第二平均距離

Claims (23)

  1. 一種操作單元，適用於操作一生物粒子，該操作單元包括：一基板；一核心電極，設置在該基板上，該核心電極具有一核心工作電極；一內電極，設置在該基板上，該內電極具有複數個第一工作電極與一第一連接電極，且該第一連接電極電性連接該些第一工作電極；一外電極，設置在該基板上，該外電極具有複數個第二工作電極與一第二連接電極，且該第二連接電極電性連接該些第二工作電極；以及一絕緣層，設置在該基板上，其中該絕緣層覆蓋該第一連接電極與該第二連接電極，該核心工作電極、該些第一工作電極與該些第二工作電極凸出於該絕緣層，且該些第一工作電極圍繞該核心工作電極，且該些第二工作電極圍繞該些第一工作電極。
  2. 如請求項1所述的操作單元，其中該第一連接電極環繞該核心電極，該第二連接電極環繞該第一連接電極。
  3. 如請求項1所述的操作單元，更包括一第一連接線，電性連接該第一連接電極，且該第一連接線電性連接一第一交流電壓。
  4. 如請求項1所述的操作單元，更包括一第二連接線，電性連接該第二連接電極，且該第二連接線電性連接一第二交流電壓。
  5. 如請求項1所述的操作單元，更包括一輔助外電極設置在該基板上，該輔助外電極具有複數個第三工作電極與一第三連接電極，該第三連接 電極電性連接該些第三工作電極，其中該絕緣層覆蓋該第三連接電極，該些第三工作電極凸出於該絕緣層，且該些第三工作電極圍繞該些第二工作電極。
  6. 如請求項5所述的操作單元，更包括一第三連接線，電性連接該第三連接電極，且該第三連接線電性連接一第三交流電壓。
  7. 如請求項1所述的操作單元，其中該些第一工作電極與該核心工作電極之間具有一第一平均距離，該些第二工作電極與該些第一工作電極之間具有一第二平均距離，該第一平均距離第二平均距離之比值介於在0.1至10之間。
  8. 如請求項1所述的操作單元，更包括一單粒子吸附電極設置在該基板上，其中該單粒子吸附電極設置在該核心電極與該內電極之間，該單粒子吸附電極具有一單粒子工作電極，該單粒子工作電極凸出於該絕緣層。
  9. 一種雙聯操作單元，適用於操作一生物粒子，該雙聯操作單元包括：一基板；一對核心電極，設置在該基板上，每一該核心電極具有一核心工作電極；一對內電極，設置在該基板上，每一該內電極具有複數個第一工作電極與一第一連接電極，且該第一連接電極電性連接該些第一工作電極；一對外電極，設置在該基板上，每一該外電極具有複數個第二工作電極與一第二連接電極，且該第二連接電極電性連接該些第二工作電極；一雙聯電極，設置在該基板上，該雙聯電極具有複數個雙聯工作電極與一雙聯連接電極，且該雙聯連接電極電性連接該些雙聯工作電極；以及 一絕緣層，設置在該基板上，其中該絕緣層覆蓋該些第一連接電極、該些第二連接電極與該雙聯連接電極，該些核心工作電極、該些第一工作電極、該些第二工作電極與該些雙聯工作電極凸出於該絕緣層，每一該內電極之該些第一工作電極圍繞對應的該核心工作電極，每一該外電極之該些第二工作電極圍繞對應的該內電極的該些第一工作電極，該雙聯電極之該些雙聯工作電極圍繞該對外電極的該些第二工作電極。
  10. 如請求項9所述的雙聯操作單元，其中每一該第一連接電極環繞對應的該核心電極，每一該第二連接電極環繞對應的該第一連接電極。
  11. 如請求項9所述的雙聯操作單元，更包括一對第一連接線，分別電性連接對應的該第一連接電極，且每一該第一連接線電性連接一第一交流電壓。
  12. 如請求項9所述的雙聯操作單元，更包括一對第二連接線，分別電性連接對應的該第二連接電極，且每一該第二連接線電性連接一第二交流電壓。
  13. 如請求項9所述的雙聯操作單元，更包括一雙聯連接線，電性連接該雙聯連接電極，且該雙聯連接線電性連接一脈衝電壓或一第五交流電壓。
  14. 如請求項9所述的雙聯操作單元，其中該些第一工作電極與對應的該核心工作電極之間具有一第一平均距離，該些第二工作電極與對應的該些第一工作電極之間具有一第二平均距離，該第一平均距離與該第二平均距離之比值介於0.1至10之間。
  15. 如請求項9所述的雙聯操作單元，更包括一對單粒子吸附電極設置在該基板上，其中每一該單粒子吸附電極設置在對應的該核心電極與該內電極之間，每一該單粒子吸附電極具有一單粒子工作電極，該單粒子工作電極凸出於該絕緣層。
  16. 一種雙聯操作單元，適用於操作一生物粒子，該雙聯操作單元包括：一基板；一第一操作單元，設置在該基板上；一第二操作單元，設置在該基板上，該第一操作單元與該第二操作單元之每一個均具有：一核心電極，設置在該基板上，該核心電極具有一核心工作電極；一內電極，設置在該基板上，該內電極具有複數個第一工作電極與一第一連接電極，且該第一連接電極電性連接該些第一工作電極；以及一外電極，設置在該基板上，該外電極具有複數個第二工作電極與一第二連接電極，且該第二連接電極電性連接該些第二工作電極；一雙聯電極，設置在該基板上，該雙聯電極具有複數個雙聯工作電極與一雙聯連接電極，且該雙聯連接電極電性連接該些雙聯工作電極；以及一絕緣層，設置在該基板上，其中該絕緣層覆蓋該些第一連接電極、該些第二連接電極與該雙聯連接電極，該些核心工作電極、該些第一工作電極、該些第二工作電極與該些雙聯工作電極凸出於該絕緣層，每一該內電極之該些第一工作電極圍繞對應的該核心工作電極，每一該外電極之該 些第二工作電極圍繞對應的該內電極的該些第一工作電極，該雙聯電極之該些雙聯工作電極圍繞該對外電極的該些第二工作電極。
  17. 一種操作裝置，適用於操作一生物粒子，該操作裝置包括：一基板；複數個核心電極，陣列排列設置在該基板上，每一該核心電極具有一核心工作電極；複數個內電極，陣列排列設置在該基板上，每一該內電極具有複數個第一工作電極與一第一連接電極，且該第一連接電極電性連接該些第一工作電極；複數個外電極，陣列排列設置在該基板上，每一該外電極具有複數個第二工作電極與一第二連接電極，且該第二連接電極電性連接該些第二工作電極；以及一絕緣層，設置在該基板上，其中該絕緣層覆蓋該些第一連接電極與該些第二連接電極，該些核心工作電極、該些第一工作電極與該些第二工作電極凸出於該絕緣層，且每一內電極之該些第一工作電極圍繞對應的該核心工作電極，每一該外電極之該些第二工作電極圍繞對應的該內電極的該些第一工作電極。
  18. 如請求項17所述的操作裝置，其中每一該第一連接電極環繞對應的該核心電極，每一該第二連接電極環繞對應的該第一連接電極。
  19. 如請求項17所述的操作裝置，更包括複數條第一連接線，每一第一連接線電性連接對應行的該些第一連接電極。
  20. 如請求項17所述的操作裝置，更包括複數條第二連接線，每一第二連接線電性連接對應行的該些第二連接電極。
  21. 如請求項17所述的操作裝置，更包括複數個雙聯電極，陣列排列設置在該基板上以形成複數行，每一該雙聯電極具有複數個雙聯工作電極與一雙聯連接電極，且該雙聯連接電極電性連接該些雙聯工作電極，其中該絕緣層覆蓋該些雙聯連接電極，該些雙聯工作電極凸出於該絕緣層，且每一該雙聯電極之該些雙聯工作電極圍繞對應的一對外電極的該些第二工作電極。
  22. 如請求項21所述的操作裝置，更包括複數條雙聯連接線，分別電性連接該些行中之對應行的該些雙聯連接電極。
  23. 如請求項17所述的操作裝置，更包括複數個單粒子吸附電極設置在該基板上，每一該單粒子吸附電極設置在對應的該核心電極與該內電極之間，每一該單粒子吸附電極具有一單粒子工作電極，其中該單粒子工作電極凸出於該絕緣層。
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