專利名稱：微流體操控裝置及其操作方法
技術領域：
本發(fā)明是與微流體操控有關，特別是關于一種能夠通過光圖樣(optical pattern)的位置改變來調整在光導材料層上所形成的各虛擬電極的排列及成形比例，由此操控微流體在流道中的運動狀態(tài)的微流體操控裝置及其操作方法。
背景技術：
近年來，隨著生物科技不斷地進步與蓬勃發(fā)展，生化檢測領域的重要性亦日益提升，因此，市面上亦出現(xiàn)了相當多與生化檢測相關的各種儀器。舉例而言，采用微流體系統(tǒng)的各種生醫(yī)晶片可廣泛地應用于不同的用途上，例如擷取罕見種類的細胞、藥物試劑的混合或微小粒子的操控等。在目前常見的生醫(yī)晶片所采用的微流體系統(tǒng)中，所有的電滲透流 (Electro-Osmotic Flow, EOF)是通過各種不同尺寸大小的電極的設置來控制微流體的流動方向。然而，當使用者實際運用該些生醫(yī)晶片時所遭遇最大的困擾在于在外加電壓的頻率固定的前提下，微流體的流動方向并無法改變，因而導致使用者難以自由調整或改變微流體的流動方向，故操控微流體的方便性及靈活度便會受到相當嚴重的限制。除非使用者能夠一直去改變各種尺寸的電極的位置或持續(xù)改變外加電壓及其頻率，才能使得微流體的流動方向較為容易被操控，但實際上這些作法并不可行，反而會造成使用者更加不便，甚至其他不良的影響。因此，本發(fā)明提出一種微流體操控裝置及其操作方法，以解決上述問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一范疇在于提出一種微流體操控裝置。有別于傳統(tǒng)的微流體操控裝置所采用的電滲透流(Electro-Osmotic Flow, EOF)機制，該微流體操控裝置采用光電滲透流(Opto-Electro-Osmotic Flow，0E0F)機制，通過光圖樣(optical pattern)的位置改變來調整在光導材料層上所形成的各虛擬電極的排列與成形比例，由此操控微流體的運動狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的第一具體實施例為一種微流體操控裝置。在此實施例中，微流體操控裝置包含光導材料層及流道。當具有特定光圖樣的光線射向光導材料層時，光導材料層根據(jù)特定光圖樣形成至少三虛擬電極。至少三虛擬電極包含第一虛擬電極及位于第一虛擬電極兩側的第二虛擬電極與第三虛擬電極。第一虛擬電極與第三虛擬電極的間距、第一虛擬電極的寬度、第一虛擬電極與第二虛擬電極的間距以及第二虛擬電極的寬度具有特定比例。當特定光圖樣發(fā)生一變化時，至少三虛擬電極亦隨該變化改變而產生一電滲透力，由此操控微流體在流道內的運動狀態(tài)。在實際應用中，第一虛擬電極與第三虛擬電極的間距(Gl)、第一虛擬電極的寬度 (Wl)、第一虛擬電極與第二虛擬電極的間距(G》及第二虛擬電極的寬度(M)之間的特定比例為1 :5:1: 3。光導材料層是由電阻值隨光變化的物質構成，光導材料層可為電荷產生層材料TiOPc (Titanium Oxide Phthalocyanine)(amorphous silicon, a-Si)
或聚合物(polymer)。在此實施例中，微流體操控裝置采用一光電滲透流(Opto-Electro-Osmotic Flow,0E0F)機制，通過改變光圖樣的位置來調整在光導材料層上所形成的該至少三虛擬電極的成形比例，以操控該微流體。在不改變電壓及頻率的條件下，微流體操控裝置操控該微流體中的粒子的運動方向或旋轉方向，致使該微流體形成趨動、混合、集中、分離及漩渦的運動狀態(tài)。根據(jù)本發(fā)明的第二具體實施例為一種微流體操控裝置操作方法。在此實施例中， 該微流體操縱裝置操作方法應用于一微流體操縱裝置，該微流體操縱裝置包含一流道及一光導材料層。該微流體操縱裝置操作方法包含下列步驟(a)當具有一特定光圖樣的一光線射向該光導材料層時，該光導材料層根據(jù)該特定光圖樣形成至少三虛擬電極；(b)當該特定光圖樣發(fā)生一變化時，該至少三虛擬電極亦隨該變化改變而產生一電滲透力，由此操控一微流體在該流道內的運動狀態(tài)。其中，該至少三虛擬電極包含一第一虛擬電極、一第二虛擬電極及一第三虛擬電極，該第二虛擬電極與該第三虛擬電極位于該第一虛擬電極的兩側，并且在該第一虛擬電極與該第三虛擬電極的間距、該第一虛擬電極的寬度、該第一虛擬電極與該第二虛擬電極的間距及該第二虛擬電極的寬度之間，具有一特定比例。在實際應用中，第一虛擬電極與第三虛擬電極的間距(Gl)、第一虛擬電極的寬度 (Wl)、第一虛擬電極與第二虛擬電極的間距(G》及第二虛擬電極的寬度(M)之間的特定比例為1 :5:1: 3。光導材料層是由電阻值隨光變化的物質構成，光導材料層可為電荷產生層材料TiOPc (Titanium Oxide Phthalocyanine)(amorphous silicon, a~Si) 或聚合物(polymer)。在此實施例中，微流體操控裝置采用一光電滲透流機制，通過改變光圖樣的位置來調整在光導材料層上所形成的該些虛擬正電極及虛擬負電極的排列及成形比例，由此在不改變電壓及頻率的條件下，微流體操控裝置能夠操控微流體中的粒子的運動方向或旋轉方向，致使微流體形成趨動、混合、集中、分離及漩渦的運動狀態(tài)。相較于現(xiàn)有技術中傳統(tǒng)的微流體操控裝置所采用的電滲透流(EOF)機制，根據(jù)本發(fā)明的微流體操控裝置及其操作方法采用光電滲透流(0E0F)的機制，在不改變電壓及頻率的條件下，通過光圖樣(optical pattern)的位置改變來調整在光導材料層上所形成的各虛擬電極的排列及成形比例，由此操控微流體的各種運動狀態(tài)。由此，根據(jù)本發(fā)明的微流體操控裝置及其操作方法能夠有效提升使用者在操縱上的方便性及靈活性，不必麻煩地去改變各種尺寸的電極的位置或持續(xù)改變外加電壓及其頻率，故可廣泛地應用于各種微流體系統(tǒng)中，例如生醫(yī)晶片、藥物試劑混合、細胞或微小粒子操縱等，極具有市場潛力及未來發(fā)展性。關于本發(fā)明的優(yōu)點與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進一步的了解。


圖1是繪示根據(jù)本發(fā)明的第一具體實施例的微流體操控裝置的外觀示意圖。圖2繪示銦錫氧化物電極13及14的間距與寬度的比例關系。圖3A是繪示具有特定光圖樣12的光線射向微流體操控裝置1的光導材料層11 的側面示意圖。圖:3B是繪示由于圖3A中的特定光圖樣12已位移至特定光圖樣12'，導致光導材料層11上形成不同的虛擬電極的側面示意圖。圖4A及圖4B是繪示采用上述光電滲透流機制操控微流體的運動狀態(tài)的一范例。圖5A及圖5B是繪示采用上述光電滲透流機制操控微流體的運動狀態(tài)的另一范例。圖6則是繪示通過光電滲透流機制操控微流體的運動狀態(tài)的另一范例。圖7是繪示根據(jù)本發(fā)明的第二具體實施例的微流體操控裝置操作方法的流程圖。主要元件符號說明SlO S12 流程步驟1、1'微流體操控裝置11 光導材料層W1、W2 銦錫氧化物電極的寬度Gl、G2 銦錫氧化物的間距12,12'特定光圖樣112,112'虛擬負電極
具體實施例方式根據(jù)本發(fā)明的第一具體實施例為一種微流體操控裝置。在此實施例中，該微流體操控裝置是用以操控一微流體的一運動狀態(tài)。實際上，該微流體可以是任何種類或型式的生物檢體或化學檢體，并無特定的限制。請參照圖1，圖1是繪示該微流體操控裝置的外觀示意圖。如圖1所示，微流體操控裝置1包含光導材料層11。實際上，光導材料層11 是由電阻值隨光變化的物質構成，舉例而言，光導材料層11可以是電荷產生層材料 TiOPc (Titanium Oxide Phthalocyanine)(amorphous silicon, a-Si)或聚合物 (polymer)，但不以此為限。在此實施例中，光導材料層11包含正電極及負電極，例如帶正電的銦錫氧化物 (Indium Tin Oxide, IT0)電極13以及帶負電的銦錫氧化物(ITO)電極14。其中，銦錫氧化物電極13與交流電源15的正極耦接，銦錫氧化物電極14與交流電源15的負極耦接。如圖 2所示，銦錫氧化物電極14與兩側的銦錫氧化物電極13的間距分別為Gl及G2，并且銦錫氧化物電極14與銦錫氧化物電極13的寬度分別為Wl及W2。實際上，Gl Wl G2 W2 可以是1 :5:1: 3，光導材料層11所包含的正電極及負電極亦可以是金屬電極，只要改從晶片上方打光即可，但不以此為限。接著，回到圖1，當具有特定光圖樣12的光線射向光導材料層11時，光導材料層 11將會根據(jù)特定光圖樣12形成虛擬正電極110以及虛擬負電極112。其中，虛擬正電極 110與虛擬負電極112的寬度比為1 5，并且虛擬負電極112與兩側的虛擬正電極110的
16 流道 15 交流電源 13、14 銦錫氧化物電極
IlOUlO'虛擬正電極間距比為1:3。在實際應用中，具有特定光圖樣12的光線可以由任何型式的光源發(fā)射裝置所發(fā)射出，例如傳統(tǒng)的燈泡、螢光燈或發(fā)光二極體(LED)等，并且該等光源發(fā)射裝置的數(shù)目及其設置的位置均可視實際需求而定，并無特定的限制。此外，特定光圖樣12的樣式亦可視實際需求而定。請參照圖3A，圖3A是繪示具有特定光圖樣12的光線射向微流體操控裝置1的光導材料層11的側面示意圖。如圖3A所示，由于光導材料層11上形成了虛擬正電極 110與虛擬負電極112而產生光電驅動效果，導致在光導材料層11上方流道16內流動的微流體將會由左向右地流動，并且在流道16中的某些地方產生順時針方向轉動的漩渦狀流動。在實際應用中，該光電驅動效果可以是電泳(electrophoresis，EP)機制、介電泳 (dielectrophoresis, DEP)機制或其他任何通過電極提供電場及/或磁場變化的機制。所謂的“電泳機制”的定義是帶電顆粒在電場作用下，朝向與其電性相反的電極移動。舉例而言，在電場作用下，正電荷將會朝向負電極移動而負電荷則會朝向正電極移動。至在“介電泳機制”則是指粒子受到不均勻電場作用而產生移動的現(xiàn)象。當粒子在不均勻電場中受到極化時，由于受到不對稱的電場吸引力，因而粒子將會朝向電場強或弱的方向移動。實際上，介電泳機制可用以操控任何帶電或不帶電的粒子，例如細胞、細菌、蛋白質、DNA或納米碳管等微小物質。接著，請參照圖3B，圖;3B是繪示由于圖3A中的特定光圖樣12已位移至特定光圖樣12'，導致光導材料層11上形成不同的虛擬電極的側面示意圖。如圖:3B所示，由于特定光圖樣12'是由原來的特定光圖樣12向右位移而得，因而導致光導材料層11上所形成的虛擬電極排列方式亦與圖3A不同。此時，由于圖:3B中的虛擬負電極112'及虛擬正電極110'的排列方式與圖3A中的虛擬負電極112及虛擬正電極110的排列方式相反，因而導致在光導材料層11上方流道內流動的微流體將會受到光電驅動效果而由右向左地流動，并且在某些地方產生逆時針方向轉動的漩渦狀流動。同樣地，該光電驅動效果可以是電泳(EP)機制、介電泳(DEP)機制或其他任何通過電極提供電場及/或磁場變化的機制。由此，本發(fā)明即可采用光電滲透流機制，通過改變光圖樣的位置來調整在光導材料層上所形成的虛擬正電極及虛擬負電極的成形比例，在不改變電壓及頻率的條件下，操控微流體中的粒子的運動方向或旋轉方向，致使微流體形成各種不同的運動狀態(tài)。接下來，將列舉數(shù)種采用上述光電滲透流機制操控微流體的運動狀態(tài)的不同范例。首先，請參照圖4A及圖4B，圖4A及圖4B是繪示采用上述光電滲透流機制操控微流體的運動狀態(tài)的一范例。在此實施例中，使用者可通過兩個光電滲透流的反方向流動形成一微流體漩渦。如圖4A所示，當使用者以具有一光圖樣的光線照射光導材料層，導致左方的光電滲透流向下方流動且右方的光電滲透流向上方流動時，位于兩者中央的微流體將會產生逆時針旋轉的漩渦狀運動。當使用者改變該光圖樣的位置(例如向右方位移)時，如圖4B所示，左方的光電滲透流將會轉而向上方流動且右方的光電滲透流轉而向下方流動，此時，位于兩者中央的微流體將會轉而產生順時針旋轉的漩渦狀運動。
接著，請參照圖5A及圖5B，圖5A及圖5B是繪示采用上述光電滲透流機制操控微流體的運動狀態(tài)的另一范例。在此實施例中，使用者可通過三個具有不同流動方向的光電滲透流形成兩個微流體漩渦。如圖5A所示，當使用者以具有一光圖樣的光線照射光導材料層，導致左方及右方的光電滲透流均向下方流動且中央的光電滲透流向上方流動時，位于左方的光電滲透流與中央的光電滲透流之間的微流體將會產生逆時針旋轉的漩渦狀運動，而位于右方的光電滲透流與中央的光電滲透流之間的微流體將會產生順時針旋轉的漩渦狀運動。如圖5B所示，當使用者改變該光圖樣的位置，導致左方及右方的光電滲透流均轉而向上方流動且中央的光電滲透流轉而向下方流動時，位于左方的光電滲透流與中央的光電滲透流之間的微流體將會轉而產生順時針旋轉的漩渦狀運動，而位于右方的光電滲透流與中央的光電滲透流之間的微流體將會轉而產生逆時針旋轉的漩渦狀運動。至于圖6則是繪示通過光電滲透流機制操控微流體的運動狀態(tài)的另一范例。如圖 6所示，由于位于下方的光電滲透流是由右方流動至左方，使得位于光電滲透流上方的微流體將會受到影響而產生順時針旋轉的漩渦狀運動。根據(jù)本發(fā)明的第二具體實施例為一種微流體操控裝置操作方法。在此實施例中， 該微流體操縱裝置操作方法是應用于一微流體操縱裝置，該微流體操縱裝置包含一流道及一光導材料層。請參照圖7，圖7是繪示該微流體操縱裝置操作方法的流程圖。如圖7所示，該微流體操縱裝置操作方法包含下列步驟首先，在步驟SlO中，當具有一特定光圖樣的一光線射向該光導材料層時，該光導材料層根據(jù)該特定光圖樣形成至少三虛擬電極。該光線可以由任何型式的光源發(fā)射裝置所發(fā)射出，例如傳統(tǒng)的燈泡、螢光燈或發(fā)光二極體(LED)等，并且該等光源發(fā)射裝置的數(shù)目及其設置的位置均可視實際需求而定，并無特定的限制。此外，該特定光圖樣的樣式亦可視實際需求而定。其中，該至少三虛擬電極包含一第一虛擬電極、一第二虛擬電極及一第三虛擬電極，該第二虛擬電極與該第三虛擬電極是位于該第一虛擬電極的兩側，并且在該第一虛擬電極與該第三虛擬電極的間距、該第一虛擬電極的寬度、該第一虛擬電極與該第二虛擬電極的間距及該第二虛擬電極的寬度之間，具有一特定比例。在實際應用中，第一虛擬電極與第三虛擬電極的間距(Gl)、第一虛擬電極的寬度 (Wl)、第一虛擬電極與第二虛擬電極的間距(G》及第二虛擬電極的寬度(M)之間的特定比例可以是1 5 1 3。此外，光導材料層是由電阻值隨光變化的物質構成，光導材料層可以是電荷產生層材料 TiOPc (Titanium Oxide Phthalocyanine)、非晶硅(amorphous silicon, a-Si)或聚合物(polymer)，但不以此為限。接著，在步驟S12中，當該特定光圖樣發(fā)生一變化(例如產生一位移)時，該至少三虛擬電極亦隨該變化改變而產生一電滲透力，由此操控一微流體在該流道內的運動狀態(tài)。也就是說，該微流體操控裝置操作方法是采用一光電滲透流機制，通過改變光圖樣的位置來調整在光導材料層上所形成的該至少三虛擬電極的成形比例，以操控微流體。由此，在不改變電壓及頻率的條件下，該微流體操控裝置操作方法即可輕易地操控微流體中的粒子的運動方向或旋轉方向，致使微流體形成趨動、混合、集中、分離及漩渦的運動狀態(tài)。相較于現(xiàn)有技術中傳統(tǒng)的微流體操控裝置所采用的電滲透流(Electro-OsmoticFlow, EOF)機制，根據(jù)本發(fā)明的微流體操控裝置及其操作方法采用光電滲透流 (Electro-Osmotic Flow, EOF)的機制，在不改變電壓及頻率的條件下，通過光圖樣 (optical pattern)的位置改變來調整在光導材料層上所形成的各虛擬電極的成形比例， 由此操控微流體的各種運動狀態(tài)。由此，根據(jù)本發(fā)明的微流體操控裝置及其操作方法能夠有效提升使用者在操縱上的方便性及靈活性，不必麻煩地去改變各種尺寸的電極的位置或持續(xù)改變外加電壓及其頻率，故可廣泛地應用在各種微流體系統(tǒng)中，例如生醫(yī)晶片、藥物試劑混合、細胞或微小粒子操縱等，極具有市場潛力及未來發(fā)展性。通過以上較佳具體實施例的詳述，希望能更加清楚地描述本發(fā)明的特征與精神， 而并非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發(fā)明的范疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排于本發(fā)明所欲申請的專利范圍的范疇內。
權利要求
1.一種微流體操縱裝置，包含一流道；以及一光導材料層，當具有一特定光圖樣的一光線射向該光導材料層時，該光導材料層根據(jù)該特定光圖樣形成至少三虛擬電極，其中該至少三虛擬電極包含一第一虛擬電極、一第二虛擬電極及一第三虛擬電極，該第二虛擬電極與該第三虛擬電極位于該第一虛擬電極的兩側，并且在該第一虛擬電極與該第三虛擬電極的間距、該第一虛擬電極的寬度、該第一虛擬電極與該第二虛擬電極的間距及該第二虛擬電極的寬度之間，具有一特定比例；其中，當該特定光圖樣發(fā)生一變化時，該至少三虛擬電極亦隨該變化改變而產生一電滲透力，由此操控一微流體在該流道內的運動狀態(tài)。
2.如權利要求1所述的微流體操縱裝置，采用一光電滲透流(Electro-OsmoticFlow, EOF)機制，通過改變光圖樣的位置來調整在該光導材料層上所形成的該至少三虛擬電極的成形比例，以操控該微流體。
3.如權利要求1所述的微流體操縱裝置，其中該第一虛擬電極與該第三虛擬電極的間距(Gl)、該第一虛擬電極的寬度(Wl)、該第一虛擬電極與該第二虛擬電極的間距(G》及該第二虛擬電極的寬度(W2)之間的該特定比例為1:5:1:3。
4.如權利要求1所述的微流體操縱裝置，在不改變電壓及頻率的條件下，該微流體操縱裝置操控該微流體中的粒子的運動方向或旋轉方向，致使該微流體形成趨動、混合、集中、分離及漩渦的運動狀態(tài)。
5.如權利要求1所述的微流體操縱裝置，其中該光導材料層由電阻值隨光變化的物質構成，該光導材料層可為電荷產生層材料TiOPc (TitaniumOxide Phthalocyanine)、非晶硅 (amorphous silicon, a-Si)或聚合物(polymer)。
6.一種微流體操縱裝置操作方法，應用于一微流體操縱裝置，該微流體操縱裝置包含一流道及一光導材料層，該微流體操縱裝置操作方法包含下列步驟(a)當具有一特定光圖樣的一光線射向該光導材料層時，該光導材料層根據(jù)該特定光圖樣形成至少三虛擬電極；以及(b)當該特定光圖樣發(fā)生一變化時，該至少三虛擬電極亦隨該變化改變而產生一電滲透力，由此操控一微流體在該流道內的運動狀態(tài)；其中，該至少三虛擬電極包含一第一虛擬電極、一第二虛擬電極及一第三虛擬電極，該第二虛擬電極與該第三虛擬電極位于該第一虛擬電極的兩側，并且在該第一虛擬電極與該第三虛擬電極的間距、該第一虛擬電極的寬度、該第一虛擬電極與該第二虛擬電極的間距及該第二虛擬電極的寬度之間，具有一特定比例。
7.如權利要求6所述的微流體操縱裝置操作方法，采用一光電滲透流 (Electro-Osmotic Flow,EOF)機制，通過改變光圖樣的位置來調整在該光導材料層上所形成的該至少三虛擬電極的成形比例，以操控該微流體。
8.如權利要求6所述的微流體操縱裝置操作方法，其中該第一虛擬電極與該第三虛擬電極的間距(Gl)、該第一虛擬電極的寬度(Wl)、該第一虛擬電極與該第二虛擬電極的間距 (G2)及該第二虛擬電極的寬度(W2)之間的該特定比例為1:5:1:3。
9.如權利要求6所述的微流體操縱裝置操作方法，在不改變電壓及頻率的條件下，該微流體操縱裝置操控該微流體中的粒子的運動方向或旋轉方向，致使該微流體形成趨動、混合、集中、分離及漩渦的運動狀態(tài)。
10.如權利要求6所述的微流體操縱裝置操作方法，其中該光導材料層由電阻值隨光變化的物質構成，該光導材料層可為電荷產生層材料TiOPc (Titanium Oxide Phthalocyanine)、非晶娃(amorphous silicon, a-Si)或聚合物(polymer)。
全文摘要
本發(fā)明揭露一種微流體操控裝置及其操作方法。微流體操控裝置包含光導材料層及流道。當具有特定光圖樣的光線射向光導材料層時，光導材料層根據(jù)特定光圖樣形成至少三虛擬電極。至少三虛擬電極包含第一虛擬電極及位于第一虛擬電極兩側的第二虛擬電極與第三虛擬電極。第一虛擬電極與第三虛擬電極的間距、第一虛擬電極的寬度、第一虛擬電極與第二虛擬電極的間距以及第二虛擬電極的寬度具有特定比例。當特定光圖樣發(fā)生一變化時，至少三虛擬電極亦隨該變化改變而產生一電滲透力，由此操控微流體在流道內的運動狀態(tài)。
文檔編號G01N35/08GK102384980SQ20101026952
公開日2012年3月21日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權日2010年8月30日
發(fā)明者劉承賢, 周忠誠, 張晃猷, 徐瑯, 楊士模, 楊裕雄, 王威 申請人:劉承賢, 張晃猷, 徐瑯, 明達醫(yī)學科技股份有限公司, 楊裕雄