检体分析微流体芯片及其方法

专利名称：检体分析微流体芯片及其方法
技术领域：
本发明涉及一种可用于检体中待测物含量分析的微流体芯片及其方法，主要利用芯片上细长微流道作为待测物含量分析区，使检体内的待测物与前述微流道内复数个固定物质进行反应，并藉由反应调节部调节检体中待测物与固定物质的接触机会，使自待测物含量分析区的反应起始点起依序累积反应，达到反应范围集中的效果。芯片使用者可藉由前述微流道内产生反应的范围大小，参照微流道的外形特征或外部刻度而得知待测物的含量。
背景技术：
许多临床生化检测应用均着眼于特定生化物质或病原体的侦测，藉由侦测的结果可以反映出患病程度、患者的健康状况或医药处理的疗效。此外，生物或化学物质的侦测也可用于药物检测、工业制程监测、环境监测、植物或动物的检测等应用。生化检测的检体选择视需求而定，可以来自人或动物的血液、尿液、唾液或血清等体液、制程或环境中的样本等。而待测物(analytes)则是包含于前述检体内的化学物质、蛋白质、胜肽、配体、核酸或病毒、细菌之类的病原体。
待测物含量分析可分为两种，一种为定性测试(qualitative test)，另一种为半定量/定量分析(quantitative assay)。定性测试的原理在于检测目标待测物是否存在或达到某一门槛值，然后给予一阳性(positive)或阴性(negative)的结果。一个简单的例子就是市面上可购得的验孕试片，测试受试者尿液检体中的hCG(human chorionic gonadotropin，人类绒毛膜促性腺激素)含量是否超过一门槛值，例如25mIU/ml，如果超过此含量，则验孕试片的结果就为阳性结果。此种利用传统试片变色的方式，让受试者可以自行采样进行居家检测，此法虽然方便迅速，然而毕竟只能用于定性检测。本发明的重点在于开发一个能做定性、半定量或定量分析的方法及工具，而不限于定性分析的层次。
以反应原理来区分生化待测物含量分析，可运用的原理包括光谱法(spectrometry)、电分析化学法(Electroanalytical chemistry)、层析分离法(chromatographic separation)、电泳法(electromigration methods)以及免疫分析法(immunoassay)等。有些生化分析的方法需将待测物加以标示才能定量，若以标示方法作区分又可分为以萤光(fluorescence)、冷光、酵素(enzyme)、放射性(radioactive)元素、纳米微粒(nanoparticles)、磁性粒子(magneticbead)等方式做定量者。无论是使用上述何种原理所开发的生化检测工具，大部份检测方法都有一个共同的需求，就是必需具备有一个量测待测物讯号的仪器，例如使用光度计(photometers)量测特定波长的吸收光，或使用光电倍增管量测放出的萤光强度，或使用电极及电压或电流量测仪器量测反应后所得的微小的电讯号，或以扫描仪或CCD摄影器量测颜色的改变量等。
可携式即时生化检测器材可以在小诊所、医院的医护点、居家或缺乏医疗资源的偏远地区进行检测，并能即时得到检测结果。可携式即时生化检测器材具备以下的特色(a)不需要用到昂贵、笨重的机台，(b)简易而自动化的操作方式，不需经过专业训练也能得到准确而可靠的结果，(c)使用低成本零件，即用即丢，以避免污染。
目前生化检测所使用的器材有大型医院或检验中心所使用的大型机台、个人使用的掌上型机台或简单的检测试片等。掌上型的仪器虽然价位较低且易于携带，以血糖、尿酸或总胆固醇等几种待测物的量测较常见。若要扩大应用至包含LDL(低密度胆固醇Low density lipoprotein)等各种不同种类的待测物，则由于检体中其它成份的存在对讯号的干扰，使得不论是光学式或电化学式的检测原理都仍面临瓶颈需要克服。因此，目前市面上使用于血糖、尿酸或总胆固醇以外的半定量/定量分析，通常使用大型检测仪器。这类大型机台多受限于医院或检验中心进行，不适于可携式即时生化检测。简单的检测试片虽然价格低，但检测待测物含量的准确性较差，适用于定性而非半定量/定量检测，能检测待测物的种类就受限制。
近年来，以芯片做为分析工具的研究渐多，例如绕射感测(diffraction-based sensing)、石英晶体微平衡(Quartz CrystalMicrobalance)、表面电浆共振(Surface plasmon resonance)等，这些方法共同的特色是除了芯片上必需设计制作与分析原理相关的机制外，还必需搭配可用于定出待测物含量的贵重仪器，使用者也必需具有专业操作技巧，有些方法甚至必需加上复杂的检体前处理流程，因此不适于可携式即时生化检测。
微流体芯片由于具有可以处理微量流体的功能，其发展渐受重视，例如利用毛细电泳芯片以检测检体中的成份。但毛细电泳芯片必需在芯片以外另以机台辅助其讯号量测，才能达到定量的功能。其它不以毛细电泳为原理的微流体芯片，虽然也有可能用于生化分析，但也无法直接由芯片完成待测物定量的工作。例如美国专利公开第2002/0127740号，其方法为导入特定体积的检体于反应区，至于待测物的含量则无芯片上的量测机制，必须外加光学检测仪器读取结果。
生化检测试片虽然价格低，但较适用于定性而非定量检测。例如前述检测hCG的验孕试片原理为横向流动(lateral flow)，以具有吸拉液体(wicking)作用的试纸为主体，让生化反应在试纸上进行。由于结构简单，能控制反应的设计参数很少，较适合做定性量测，若用于半定量/定量分析则准确度不够。美国专利第5,559,041号免疫检测试片，或是其它利用纳米金微粒辅助显色效果的生化检测试片等，即是生化检测试片应用于定性分析的例子。
Se-Hwan Paek的研究，以及美国专利第5,340,539号，都是试图把横向流动(lateral flow)生化检测试片推广到半定量/定量分析的例子。其原理以具有吸拉液体(wicking)作用的试纸为基材，借着读取试纸上反应区域的大小(例如变色长度的长短)来判断待测物的量。由于吸取检体体积可能有误差、样品在试片内流速不均、反应区域太短、反应范围分散造成讯号强弱不一等因素，使得待测物含量分析结果误差较大。以Se-Hwan Paek在试纸上所做的待测物含量分析实验为例，图1A显示液态检体由生化检测试片的下方吸入至反应区反应后，再往上流出反应区的测试结果。由左到右排列者为相同试片用于不同待测物浓度的结果。图1B显示检体反应后试片上反应区域影像放大图。此习知技术虽可用于检体中待测物的定性测试，但不适于直接做半定量/定量分析，理由如下1.由于试纸式的生化检测试片有材料及制程上的限制，使得反应区域宽度较宽，无法做到非常细长。当待测物的量愈少，在宽的试片上变色长度愈短，以目视法依据变色范围的长短来推估待测物在检体中的量时，读值误差愈大。
2.由于试纸式的生化检测试片的反应区域宽度较宽，检体往上吸入时的路径及速度无法控制一致，使得被截取的待测物有时左边量较多，有时偏中或偏右，造成变色区域的前缘常会呈现有凹有凸的不规则形状，如图1B所示。此外，当液态检体由下方吸入至反应区反应再往上流出的过程中，由于没有任何控制机制，使得有些待测物跑得快有些跑得慢，造成了有反应作用者可能分散在反应区内各处的现象。这可从图1B的局部放大图中反应范围的前缘显色有各种层次的灰阶看出。在此状况之下，一般使用者若以肉眼直接判断变色范围的长短，到底应该读到前缘的凹处或凸处，颜色要多深或多浅才算是有反应的范围，这些都将造成读值上极大的困扰及误差。
3.试纸式的生化检测试片必需使用能吸入液体检体的材质制作成试片，材质及架构受限，因此难以直接在此材质上附加‘控制流入检体体积’的功能。以浓度量测为例，若想依据变色范围的长短来推估检体中待测物的浓度，前提之一是每次进入检测试片中的检体必需控制为事先设定的体积，否则，进入反应区的检体多寡不一，就算得知变色范围的长短也无法准确换算出待测物的浓度。试纸式的生化检测试片难以在现有材质及架构上整合这项功能，将有碍于分析时的准确度提升。
4.试纸式的生化检测试片难以直接在此材质上附加各种有助于待测物含量分析的功能，例如检体成份的分离、检体流经反应区的速度控制、试剂(例如抗凝剂、反应呈色用的标记等)的添加及均匀混合、单一检体进行多项测试、或反应后的清洗等步骤，都有助于增加分析的方便性与准确性，但由于材质及架构受限，这些功能难以整合在这种单纯的架构上。
因此，如何开发一种可有效处理检体、简化使用者操作流程、准确量的待测物含量、并方便读取结果、甚至不必外加复杂的量测仪器的检测分析芯片，为目前本领域亟待突破之处。

发明内容
有鉴于习知检测分析技术的缺失，本发明的目的在于提供一可用于待测物含量分析的微流体芯片，其包括一检体通入口，用以通入检体；一待测物含量分析区，具一微流道，其中该微流道表面布放复数个固定物质，且该微流道一端接检体通入口；以及一反应调节部，用以调节检体内待测物与复数个固定物质的接触机会，使待测物与固定物质由反应起始点开始依序累积反应，达到反应范围集中的效果。藉由前述微流道内产生集中反应的范围大小，可得知该检体中的待测物含量。
上列叙述中●「固定物质」指的是固定在待测物含量分析区微流道表面，不随检体流走，且能与检体内的待测物反应的物质，例如核酸、配体、受体、抗原、抗体、酵素、胜肽、蛋白质或其它可与待测物反应的生物或化学物质。
●「反应起始点」是指微流道接检体通入口的一端布放固定物质的起点。
●「依序累积反应」指的是每一个待测物粒子进入反应起始点后，在行进的过程中有足够的时间及碰撞机会与在微流道内最先遇到的，且尚未作用的固定物质反应。也就是说，待测物质不会因为流速过快或没有碰撞机会而错过尚未作用的固定物质，却已随检体行进到微流道内的下一个位置。所有进入微流道内的待测物质由反应起始点开始依序与固定物质相遇产生反应，因此反应的范围将「集中」在从反应起始点开始的待测物含量分析区。一旦检体内的待测物被前段的固定物质反应完，则后段的固定物质虽遇到剩余检体流过，但检体内已无待测物可与之反应。由于有待测物/固定物质产生反应的范围集中在微流道前段，而待测物耗尽后未发生反应的固定物质位于后段，因此检体内待测物的量将正比于前段有反应范围的面积大小。若流道的宽度设计具有规则性，则待测物的量将正比于流道内反应区域的长度。
●「反应调节部」指的是能使检体内的待测物在微流道内行进的过程中有足够的时间及碰撞机会与固定物质反应的机制。实现反应调节部的方法包括控制检体流动的速度及/或在流道内增设各种有助于扰动检体、增加反应面积及接触机率的设计。
本发明的另一目的是关于一种待测物含量分析方法，包含提供检体；将前述检体由检体通入口导入待测物含量分析区的微流道，其中该微流道表面修饰复数个固定物质；调节该检体中待测物与该固定物质的反应，使自反应起始点依序累积反应，达到反应范围集中的效果；及藉由前述微流道内产生反应的范围大小，可得知该检体中的待测物含量。
前述待测物含量分析方法可利用本发明的分析芯片达成。
为达到上述目的，本发明提出了一种微流体芯片，包含一检体通入口，用以通入检体；一待测物含量分析区，具一微流道，其中该微流道表面由反应起始点开始布放多数个固定物质，且该微流道一端接检体通入口；以及一反应调节部，用以调节检体内待测物与多数个固定物质的接触机会，使待测物与固定物质由反应起始点开始依序累积反应，达反应范围集中的效果。
本发明还提出了一种待测物含量分析方法，包含提供检体；将前述检体导入一微流道通入口，其中该微流道表面修饰多数个固定物质；调节检体内待测物与多数个固定物质的接触机会，使待测物与固定物质由反应起始点开始依序累积反应，达反应范围集中的效果；及藉由前述微流道内产生反应的范围大小，可得知该检体中待测物的含量。
本发明进一步提出了一种待测物含量分析方法，包括提供检体；将前述检体导入权利要求1所述的微流体芯片的微流道通入口，其中该微流道表面修饰多数个固定物质；调节检体内待测物与多数个固定物质的接触机会，使待测物与固定物质由反应起始点开始依序累积反应，达反应范围集中的效果；及藉由前述微流道内产生反应的范围大小，可得知该检体中的待测物含量。


图1A、1B显示习知技术试纸层析生化检测试片示意图及其部分讯号影像放大图。
图2为本发明待测物含量分析的微流体芯片其反应调节部为一流速控制装置的实施态样。
图3为本发明待测物含量分析的微流体芯片其反应调节部为微流道表面修饰的实施态样。
图4A为本发明待测物含量分析的微流体芯片其反应调节部为微流道宽窄不一的内径的实施态样。
图4B为图4A的微流道局部放大。
图5A为本发明待测物含量分析的微流体芯片以微流道的几何特征作为读值辨识参考的一实施例。
图5B为本发明待测物含量分析的微流体芯片以微流道的几何特征作为读值辨识参考的另一实施例。
图6A为本发明待测物含量分析的微流体芯片微流道的标记刻度的一实施例。
图6B为本发明待测物含量分析的微流体芯片微流道的标记刻度的另一实施例。
图7A显示本发明待测物含量分析的微流体芯片串联复数组检体通入口、待测物含量分析区及反应调节部。
图7B显示本发明待测物含量分析的微流体芯片并联复数组检体通入口、待测物含量分析区及反应调节部。
图8说明本发明的待测物含量分析芯片较习知生化检测试片有较高分辨率原理。
附图标号说明1---待测物含量分析微流体芯片2---检体通入口3---待测物含量分析区4---微流道6---标记刻度41---反应起始点51---流速控制装置52---微流道表面修饰的物质53---微流道宽窄不一的内径参考资料[1]Se-Hwan Paek，et.al.，Development of Rapid One-StepImmunochromatographic Assay，Methods 22，p.53-p.60，2000具体实施方式
本发明的待测物含量分析微流体芯片的一实施态样如图2所示，该待测物含量分析微流体芯片1主要包括一检体通入口2，用以通入检体；一待测物含量分析区3，具一微流道4，其中该微流道4表面布放复数个固定物质(以微流道上的网状花纹表示)，且该微流道4一端接检体通入口；以及一反应调节部，用以调节检体内待测物与微流道4内复数个固定物质的接触机会，使待测物与固定物质由反应起始点41开始依序累积反应，达到反应范围集中的效果。藉由前述微流道4累积于前段的待测物/固定物质反应范围(微流道4的黑色实线区域)，并参照微流道4的几何形状特征或外部标记刻度6，可得知该检体中的待测物含量。于本实施态样中，前述反应调节部为一流速控制装置51，例如可控制流速的泵，连结微流道4与检体通入口相反的另一端。
于本发明的另一实施态样中，前述反应调节部也可以是待测物含量分析区的微流道材质，藉由微流道材质的亲/疏水性来控制检体前进的速度，达成累积依序反应的需求。在一基板上制作各种剖面形状的凹槽，再与另一平面或具有凹槽的基板接合，两面基板间的凹槽即形成微流道，可供微量流体在流道内进行各项任务。微流体在流道内流动的方式受凹槽表面状况(即两片基板的材质)所影响。基板材质则可以选自亲水性或疏水性材质，上/下基板的材质组合可以是亲水性/亲水性、亲水性/疏水性、疏水性/亲水性或疏水性/疏水性。前述基板材质较佳包含聚二甲荃硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、环稀烟聚合物(cyclic olefin copolymers，COC)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)。
图3显示本发明的又一实施态样，其中前述本发明待测物含量分析微流体芯片1的反应调节部也可以是在前述微流道4表面局部或全面修饰的物质52(斜线部分)，例如，但不限于特定官能基、亲水性物质及/或疏水性物质，以进一步局部调整检体在流道内不同区段的前进速度，达成累积依序反应的需求。
图4A显示本发明的再一实施态样，前述本发明待测物含量分析微流体芯片1的反应调节部也可以是待测物含量分析区的微流道4截面形状改变及宽窄不一的内径53，以控制检体的前进速度或流动模式。图4B显示图4A的微流道4狭窄部分的剖面放大图。
于本发明的另一实施态样中，其中前述待测物含量分析微流体芯片的反应调节部包含在微流道的内表面设置凸出物，以增加固定物质的布放面积，并有助于微流体以扰流方式前进，有效促使待测物与固定物质接触机率提高。
图5A显示于本发明的一实施态样中，前述待测物含量分析微流体芯片1的微流道4的反应范围可参照微流道4的几何特征而得知检体中的待测物含量，前述微流道4的几何特征为数个连续的弯道构造，藉由观察反应范围到达第几个弯道构造可以对应得知该检体中的待测物含量，例如低量、中量或高量等。图5B显示于前述待测物含量分析微流体芯片1微流道4的几何特征为复数个更密集的连续弯道构造，可以更精确地定量。唯本发明的微流道4的几何特征并不限于本实施态样的弯道形构造，其形状和长度可视实际检测需要而调整，例如矩形弯道、螺旋形弯道等并不受限制，也可以利用其它种几何特征达到方便辨识及得知待测物含量的功效。
图6A与图6B显示本发明的待测物含量分析微流体芯片1，其微流道4的管道可对应设置标记刻度6，该标记刻度6可以设置于微流道旁，亦可设置于微流道4上(图未显示)，藉由观察反应范围所对应的刻度而得知检体中的待测物含量。
前述微流道4的几何特征与标记刻度6是可一并设置或单独设置以帮助得知检体中的待测物含量。本发明的另一实施态样为，经由前述微流道4的几何特征与标记刻度6读取的数值，可进一步藉由一校正曲线或实验对照表换算出实际检体中待测物的含量。
于本发明的又一实施态样中，待测物含量分析微流体芯片可藉由串联或并联的方式连结多组检体通入口、多组待测物含量分析区或多组反应调节部，其可连结的检体通入口、待测物含量分析区或反应调节部的数目不受限制，每一组待测物含量分析区可布放相同或不同固定物质，可做为比对用或量测不同待测物。图7A显示本发明的待测物含量分析微流体芯片1串联结合一检体通入口2、复数个待测物含量分析区3与一反应调节部，其中该反应调节部是以流速控制装置51为例，当然该反应调节部亦可以是微流道材质、微流道表面局部或全面修饰的物质、微流道内表面所设置的凸出物及/或微流道宽窄不一的内径或微流道截面形状改变。另外图7B显示本发明的待测物含量分析微流体芯片1并联结合一检体通入口2、复数个待测物含量分析区3与一反应调节部，其中该反应调节部以流速控制装置51为例，当然该反应调节部亦可以是微流道材质、微流道表面局部或全面修饰的物质、微流道内表面所设置的凸出物及/或微流道宽窄不一的内径或微流道截面形状改变。
本发明待测物含量分析微流体芯片的微流道上所布放的固定物质包括核酸、配体、受体、抗原、抗体、酵素、胜肽、蛋白质或其它可与待测物反应的生物或化学物质。
本发明的待测物含量分析微流体芯片，可进一步包含一体积调节区，该体积调节区可以是一液体截流元件，用以截取事先设定的检体体积送入反应区，例如，但不限于姆指泵。
本发明的待测物含量分析微流体芯片，可进一步包含一排气元件，用以排放检体中所含的气体，避免由于气泡存在造成量取检体体积的误差。
本发明的待测物含量分析微流体芯片，可进一步包含一前处理区，用于进行检体成份分离、分解、催化、改变状态、修饰、标记、试剂混合、抗凝固、抗凝血、抗降解、抗退化、稀释、干燥、浓缩、升降温、调整pH值或清洗等步骤。前述的前处理区可包括，例如，但不限于一待测物标记反应区，将检体内的待测物加以标记。其中前述待测物标记是可利用包括酵素、萤光、冷光、纳米微粒或其它具有呈色效果的物质，如与呈色颗粒相接的抗体或其它具有呈色效果的试剂。
本发明的待测物含量分析微流体芯片，可进一步包含一后处理区，用于进行标记、添加试剂、清洗、干燥或升降温等步骤。其中标记是指利用酵素、萤光、冷光、纳米微粒或其它具有呈色效果的物质，如与呈色颗粒相接的抗体或其它具有呈色效果的试剂。
本发明的另一目的亦提供一种待测物含量分析方法，包含提供检体；将前述检体由一检体通入口导入待测物含量分析区的微流道，其中该微流道表面修饰复数个固定物质；调节该检体中待测物与该固定物质由反应起始点依序累积反应，达到反应范围集中的效果；及藉由前述微流道内产生反应的范围大小，可得知该检体中待测物的含量。故本发明的方法可以不需要使用CCD或其它影像分析软件以辨识变色区域。
前述的待测物含量分析方法，其中前述调节该检体中待测物与该固定物质的反应是藉由一流速控制装置以控制检体前进的速度，达成累积依序反应的要求；亦可藉由前述微流道所包含的上、下两基板材质特性来控制检体前进的速度，达成累积依序反应的要求，其中该基板材质是分别选自亲水性或疏水性材质。
前述调节该检体中待测物与该固定物质的反应亦可利用微流道的内径具有宽窄不一或截面形状改变的设计，以调整检体前进的速度及流动的模式。
前述调节该检体中待测物与该固定物质的反应是藉由在微流道的内表面设置凸出物，以增加固定物质的布放面积，并有助于微流体以扰流方式前进，有效促使待测物与固定物质接触机率提高。
另外，前述调节该检体中待测物与该固定物质的反应是藉由在微流道表面的局部或全面修饰特定官能基、亲水性物质及/或疏水性物质来控制检体前进的速度，达成累积依序反应的需求。前述的本发明待测物含量分析方法，可进一步包含一体积调节步骤、一排气步骤、一前处理步骤及/或一后处理步骤。
其中前述前处理步骤包括检体成份分离、分解、催化、改变状态、修饰、标记、试剂混合、抗凝固、抗凝血、抗降解、抗退化、稀释、干燥、浓缩、升降温、调整pH值或清洗等步骤。其中前述的后处理步骤包括标记、添加试剂、清洗、干燥或升降温等步骤。
前述的标记步骤可藉由加入包括酵素、萤光、冷光、纳米微粒、与呈色颗粒相接的抗体、或其它具有呈色效果的物质或试剂以达到标记的目的。
本发明所提供的待测物含量分析方法，可利用本发明的待测物含量分析芯片来达成。
图8是相较于显示习知技术的试纸层析生化检测试片，本发明的待测物含量分析芯片为何读值分辨率可以提高的原理，一般生化检测试片宽度较宽，所以变色区域前缘常会呈现不规则形状及不同层次的灰阶，影响读值的准确性，本发明的微流体芯片上的待测物含量分析区为细长的微流道，也就是将生化检测试片的讯号区域中的变色不规则形状面积(正方形框线所示)展开成微流体管道，如此，不规则形状的变色区域面积大小便可转换为微流道内产生反应的范围大小。例如，假设将习知技术的变色面积定为长度10单位宽度10单位，本发明若将宽度减少为十分之一(即1单位)，而将长度增长为十倍(即100单位)，则可以根据待测物含量分析区微管道内有待测物反应的长短，例如87单位，就能更精确定出待测样品的量，增加分辨率，这是习知检测试片所无法达到的。
本发明的另一优点为可以整合‘控制流入检体体积’的功能于同一芯片上。以浓度量测为例，若想依据变色范围的长短来推估检体中待测物的浓度，前提之一是每次进入检测试片中的检体必需控制为事先设定的体积，才能准确换算出待测物的浓度。本发明可用各种高分子、硅、玻璃或其它材质制作芯片，并在芯片上整合控制流入检体体积的功能，因此有助于待测物含量分析时的准确度提升。除此之外，其它功能例如试剂的添加及均匀混合、单一检体进行多项测试、或反应后的清洗等步骤，都可以整合在同一芯片上，有助于增加待测物含量分析的方便性与准确性。相较于前述试纸层析生化检测试片难以整合各式复杂附加功能的情形，本发明具有进步性。
本发明藉由检体流动方式的特殊设计，使得有反应的变色范围由反应区域的起点开始累积，达到反应范围集中的效果。如前所述，此种技术可用于不需外加仪器而直接读取待测物的含量的应用。然而，对于必需外加仪器以进行待测物定量的方式而言，此种技术也很有用。例如，想以仪器量测待测物上所标定的萤光亮度作为待测物含量的依据，若任由待测物分散在反应区内的任意各处起反应，单位面积内的待测物含量低，则所使用的仪器灵敏度必需够高才足以侦测到有标记的待测物。由于本发明可促使反应范围集中，因此所需观察及测量的反应范围缩小，单位面积内的讯号强度提高，使得仪器灵敏度不必太高仍能得到准确的量测效果。因此本发明也可适用于待测物的量少，或量测准确度要求较高等，需以仪器辅助待测物含量分析的状况。
除了半定量/定量分析，本发明也适用于定性分析。藉由检体流动方式的控制，使得反应范围集中，有助于检体中待测物含量低时的定性分析判断是否超过门槛值。
总而言之，本发明的芯片与试纸层析生化检测试片相较，本发明可用于定性、半定量及定量检测，且其显色及读值分辨率高，量测较准确，并能附加检体前处理/反应后处理功能等优点。与其它分析芯片相较，则有不必使用复杂仪器即能检测待测物含量的优点。
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中，将可清楚的明白。以下实施例用于进一步阐述本发明的优点，并非用于限制本发明的申请专利范围。
实施例本发明是关于一种于微流体芯片上进行检体内待测物含量分析的装置及其方法，其特征是为使待测物与修饰于芯片上微管道表面的固定物质反应，藉由微管道内产生集中反应，再根据反应的范围大小以判断检体内待测物的含量。
实施例1.本发明的待测物分析微流体芯片以流速控制的方式调节反应，用于待测物含量分析本实施例利用微机电制程(MEMS process)以厚光阻制程以及可挠性高分子材料制作本发明的微流体芯片，并分别测试检体中不同待测物含量。
该芯片上的基板具有形成微流道的凹槽，材质为生物兼容性的可挠性高分子材质，用以规范检体行经路径；下板基材材质为玻璃，上下基板组合形成具有微流道的芯片。于芯片上的检体通入口中加入掺有抗凝血剂EDTA的全血，利用外加泵作为流速控制装置，可成功使全血在宽与深皆为100微米的细长微流道中流动，并且其流动速度可根据施加于泵的压力大小来控制。
利用如图2所示的待测物含量分析微流体芯片1进行实验，芯片上的待测物含量分析区3上的微管道4的流道宽100μm、深100μm，且U型微流道4每段直线长度L为8mm，其上布有固定物质山羊抗老鼠免疫球蛋白G(Goat-anti-mouse-IgG，浓度5.6mg/ml)。将检体(含有经过纳米金粒子标示的待测物Mouse-IgG C)由检体通入口2导入待测物含量分析区3。另外藉由流速控制装置51控制样品于微流道4中推进，速度为0.8mm/min，以使检体内的待测物与布放于微管道4表面的固定物质充分反应。
一般待测物含量分析的应用都是以相同体积的检体内含有不同浓度的待测物做测试。本实施例中，为了易于验证实验结果，改用相同待测物浓度，但不同体积的检体作测试，加入检体体积多者所含待测物的量也成正比例增多。本实施例以两个相同的芯片做实验。芯片一及芯片二是分别撷取1.5μl及3μl的检体(内含相同浓度的待测物Mouse-IgG CGC，OD540＝50)，导入待测物含量分析区3。检体流经微流道4后，管壁上的固定物质(Goat-anti-mouse-IgG)将与待测物进行抗原抗体反应，捉住待测物。由于待测物已结合有紫色的纳米金粒子作为标示，因此与固定物质反应结合而停留于流道的管壁后仍呈紫色。从反应起始点开始，有此种反应的区域会呈现紫色，随着待测物被反应耗尽，未反应的区域虽有检体流过仍维持透明。藉由观察待测物含量分析区的微流道4产生反应的紫色范围，透过实验对照表即可估算检体中待测物的含量。
实验结果显示芯片一中有反应的微流道4长度约为88mm+/-4mm，芯片二的有反应的微流道4长度约为160mm+/-8mm。芯片二的待测物含量为芯片一的两倍，测试结果其微管道反应的范围大小也大约两倍，此即显示微流道反应区域的长度可直接反映出待测物的含量多寡。由此证明藉由微米级的微流道并配合检体流速控制的反应调节机制可达到依序反应，范围集中的效果，用于半定量/定量分析。
实施例2.本发明的待测物含量分析微流体芯片以流速控制及流道几何形状变化的方式调节反应，用于待测物含量分析本实施例目的在测试检体中待测物含量不同时的量测结果。微流体芯片的材质、制程与实施例一相同，U型微流道4每段直线长度L为8mm，但流道的几何形状改采宽窄不一的变化，宽度300um的微流道每隔2mm距离即单侧非对称变窄为150um一次。微流道上布放有固定物质山羊抗老鼠免疫球蛋白G(Goat-anti-mouse-IgG，浓度5.6mg/ml)。为缩短检测时间，此例流速由外加泵控制为12mm/min，较实施例一快。
本实施例以两个相同的芯片做实验。芯片一所测试的检体为含有经过纳米金粒子标示待测物(Mouse-IgG CGC，OD540＝50)4ul的检体，而芯片二所使用的检体为待测物(Mouse-IgG CGC，OD540＝50)2ul再加上2ul的水，因此浓度为芯片一内检体浓度的一半。
测试方法与实施例一相同，检体流经微流道4后，待测物与微流道内布置的固定物质反应结合而停留于流道的管壁呈紫色。观察待测物含量分析区的微流道4产生反应的紫色范围，配合实验对照表即可估算检体中待测物的含量。芯片一的紫色区域长度为136mm+/-20mm，芯片二的紫色区域长度为72mm+/-16mm，与预期结果接近，浓度与长度接近比例关系，但由于流速比实施例一快，误差范围中稍大。
实施例3.本发明的待测物含量分析微流体芯片以流速控制及流道增设凸出扰流结构的方式调节反应，用于待测物含量分析测试本实施例目的在测试检体中待测物含量不同时的量测结果。微流体芯片的材质、制程与实施例二相同，U型微流道4每段直线长度L为8mm，流道亦采宽窄不一的变化(单侧非对称变窄，宽度150um-300um间规则性交替变化)，但流道内增设凸出物，使流道内的液体以扰流的方式前进。微流道上布放有固定物质山羊抗老鼠免疫球蛋白G(Goat-anti-mouse-IgG，浓度5.6mg/ml)。此例流速由外加泵控制为12mm/min，与实施例二相同。
本实施例以两个相同的芯片做实验。芯片一所测试的检体为含有经过纳米金粒子标示待测物(Mouse-IgG CGC，OD540＝50)6ul的检体，而芯片二所使用的检体为待测物(Mouse-IgG CGC，OD540＝50)3ul再加上3ul的水，因此浓度为芯片一待测物浓度的一半。
测试方法与实施例二相同，检体流经微流道4后，待测物与微流道内布置的固定物质反应结合而停留于流道的管壁呈紫色。观察待测物含量分析区的微流道4有产生反应的紫色范围即可得知检体中待测物的含量。芯片一的紫色区域长度为112mm+/-8mm，芯片二的紫色区域长度为64mm+/-8mm，与预期结果接近，浓度与长度接近比例关系，且由于有效改变流动模式，流速虽与实施例二相同，但误差范围较小。
由前述实施例可得知本发明的微流体芯片可作为待测物含量分析的工具，并且藉由待测物含量分析区上的微管道的几何特征及/或标记刻度，可直接得知检体中待测物的量，即时得到检测结果，不需借助其它影像分析软件或仪器。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此，本发明的保护范围，当视申请专利范围所界定者为准。
权利要求
1.一种微流体芯片，包含一检体通入口，用以通入检体；一待测物含量分析区，具一微流道，其中该微流道表面由反应起始点开始布放多数个固定物质，且该微流道一端接检体通入口；以及一反应调节部，用以调节检体内待测物与多数个固定物质的接触机会，使待测物与固定物质由反应起始点开始依序累积反应，达反应范围集中的效果。
2.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，前述反应调节部为一流速控制装置。
3.如权利要求2所述的微流体芯片，其特征是，前述的流速控制装置，连结于相对待测物含量分析区通入口的微流道的另一端。
4.如权利要求2所述的微流体芯片，其特征是，前述的流速控制装置为一泵。
5.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，前述反应调节部为前述微流道，该微流道包含上、下两基板，该基板材质分别选自亲水性或疏水性材质。
6.如权利要求5所述的微流体芯片，其特征是，前述基板材质包含聚二甲荃硅氧烷、聚碳酸酯、环稀烟聚合物、聚苯乙烯、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯。
7.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，前述反应调节部包含微流道内径宽窄不一或截面形状改变的设计。
8.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，前述反应调节部包含微流道的内表面设置凸出物。
9.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，前述反应调节部包含于该微流道的表面局部或全面修饰特定官能基、亲水性物质及/或疏水性物质。
10.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，可进一步包含一体积调节区，以控制进入待测物含量分析区的检体体积。
11.如权利要求10所述的微流体芯片，其特征是，前述体积调节区包含一液体截流元件。
12.如权利要求11所述的微流体芯片，其特征是，前述液体截流元件为姆指泵。
13.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，可进一步包含一排气元件。
14.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，可进一步包含一前处理区。
15.如权利要求14所述的微流体芯片，其特征是，前述的前处理区包含一检体待测物标记反应区。
16.如权利要求15所述的微流体芯片，其特征是，前述的检体待测物标记可利用包括酵素、萤光、冷光、纳米微粒、与呈色颗粒相接的抗体、或其它具有呈色效果的物质或试剂以达到标记的目的。
17.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，可进一步包含一后处理区。
18.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，前述待测物含量分析区可根据微流道内产生反应的范围大小，参照微流道的几何特征及/或标记刻度而读取或换算出检体中的待测物含量。
19.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，可串联多数组检体通入口、多数组待测物含量分析区或多数组反应调节部。
20.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，可并联多数组检体通入口、多数组待测物含量分析区或多数组反应调节部。
21.如权利要求1所述的微流体芯片，其特征是，前述固定物质包括核酸、配体、受体、抗原、抗体、酵素、胜肽、蛋白质或其它可与待测物反应的生物或化学物质。
22.一种待测物含量分析方法，包含提供检体；将前述检体导入一微流道通入口，其中该微流道表面修饰多数个固定物质；调节检体内待测物与多数个固定物质的接触机会，使待测物与固定物质由反应起始点开始依序累积反应，达反应范围集中的效果；及藉由前述微流道内产生反应的范围大小，可得知该检体中待测物的含量。
23.如权利要求22所述的待测物含量分析方法，其特征是，前述调节该检体中待测物与该固定物质的反应，是通过一流速控制装置以控制检体前进的速度，达成累积依序反应的要求。
24.如权利要求22所述的待测物含量分析方法，其特征是，前述调节该检体中待测物与该固定物质的反应，是通过前述微流道所包含的上、下两基板材质特性来控制检体前进的速度，达成累积依序反应的要求，其中该基板材质分别选自亲水性或疏水性材质。
25.如权利要求22所述的待测物含量分析方法，其特征是，前述调节该检体中待测物与该固定物质的反应，是利用微流道的内径具有宽窄不一或截面形状改变的设计，以调整检体前进的速度。
26.如权利要求22所述的待测物含量分析方法，其特征是，前述调节该检体中待测物与该固定物质的反应是通过在微流道表面的局部或全面修饰特定官能基、亲水性物质及/或疏水性物质来控制。
27.如权利要求22所述的待测物含量分析方法，其特征是，前述调节该检体中待测物与该固定物质的反应，是通过在微流道的内表面设置凸出物，以增加固定物质的布放面积，并有助于微流体以扰流方式前进，有效促使待测物与固定物质接触机率提高。
28.如权利要求22所述的待测物含量分析方法，其特征是，可进一步包含一体积调节步骤，以控制进入待测物含量分析区的检体体积。
29.如权利要求22所述的待测物含量分析方法，其特征是，可进一步包含一排气步骤。
30.如权利要求22所述的待测物含量分析方法，其特征是，可进一步包含一前处理步骤。
31.如权利要求30所述的待测物含量分析方法，其特征是，前述的前处理步骤包括检体成份分离、分解、催化、改变状态、修饰、标记、试剂混合、抗凝固、抗凝血、抗降解、抗退化、稀释、干燥、浓缩、升降温、调整pH值或清洗等步骤。
32.如权利要求22所述的待测物含量分析方法，其特征是，可进一步包含一后处理步骤。
33.如权利要求32所述的待测物含量分析方法，其特征是，前述的后处理步骤包括标记、添加试剂、清洗、干燥或升降温等步骤。
34.如权利要求31或33所述的待测物含量分析方法，其特征是，前述的标记步骤可藉由加入包括酵素、萤光、冷光、纳米微粒、与呈色颗粒相接的抗体、或其它具有呈色效果的物质或试剂以达到标记的目的。
35.如权利要求22所述的待测物含量分析方法，其特征是，可根据微流道内产生反应的范围大小，参照微流道的几何特征及/或标记刻度而读取检体中的待测物含量。
36.一种待测物含量分析方法，包括提供检体；将前述检体导入权利要求1所述的微流体芯片的微流道通入口，其中该微流道表面修饰多数个固定物质；调节检体内待测物与多数个固定物质的接触机会，使待测物与固定物质由反应起始点开始依序累积反应，达反应范围集中的效果；及藉由前述微流道内产生反应的范围大小，可得知该检体中的待测物含量。
全文摘要
本发明公开了一种检体分析微流体芯片及其方法，主要利用芯片上细长微流道作为待测物含量分析区，使检体内的待测物与前述微流道内复数个固定物质进行反应，并通过反应调节部调节检体中待测物与固定物质的反应，使反应自待测物含量分析区的反应起始点开始依序累积，达到反应范围集中的效果。芯片使用者可藉由前述微流道内产生反应的范围大小，参照微流道的外形特征或外部刻度而得知待测物的含量。
文档编号G01N35/00GK1786710SQ20041009691
公开日2006年6月14日 申请日期2004年12月6日 优先权日2004年12月6日
发明者吴碧珠, 杨金树 申请人:财团法人工业技术研究院