142_091-025AP-TW

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142_091-025AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書


※申請案號：091122673	※I P C 分類：

一、	發明名稱：
	整合型之生物分析晶片及其製造方法(全文下載)

二、

中文發明摘要：

本發明係提供一種整合型之生物分析晶片及其製造方法，主要係以快速且低成本的製程方式將聚合酶連鎖(Polymerase Chain Reaction, PCR)反應槽、毛細管電泳(Capillary Electrophoresis, CE)管道及光纖結構整合於同一晶片之上，可將DNA樣品於同一晶片上進行PCR放大，並立即導入毛細管電泳管道中分析，同時配合整合於晶片上之光纖結構進行線上(on-line)即時偵測，以從事快速、精確之生物樣品檢測及分析。

三、

英文發明摘要：

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第（　　）圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[n]	本發明係提供一種整合型之生物分析晶片及其製造方法，利用微機電系統製程在晶片中形成微型PCR反應槽、毛細管電泳管道及光纖結構，並同時製造出微型溫度偵測器、微型加熱器及電極，再與IC控制器結合，在晶片上形成整合型之生物檢測分析系統。
	【先前技術】
[n]	利用PCR複製各種DNA已廣泛地被應用於生醫檢測之前處理過程上，其複製增加量可提高生醫檢測之靈敏度。傳統之PCR溫度循環器，係將樣本置於塑膠管中，放入大型PCR溫度循環器中，產生特定溫度、時間及次數之循環，複製出大量之DNA並進行後續檢測，以提高生醫檢測鑑別度。但是因為所需樣本量大，耗費時間往往都超過三小時；相反地，以微機電製程所製造的微型生醫晶片即可改善上述缺點。
[n]	將檢測前處理機構整合於晶片中乃是生物晶片發展之趨勢，此舉將除了可降低前處理成本、減少前處理耗費時間外，並可大幅降低樣本消耗量，但對於容積不及一微升(μL)之反應槽而言，欲製造成本低、耗能低、製程簡單、溫度上升/下降速率高及溫度穩定性佳的微型溫度控制系統是一大挑戰，係肇因於：半導體製程使用之矽晶片不具生物相容性，必須以耗時且昂貴之製程進行沉積與蝕刻；置於反應槽外部之溫度感測器與加熱器會形成極大的熱慣性，其溫度感測器之溫度值並非反應樣本實際溫度值，另外，因為反應槽壁的阻隔，造成加熱器與樣本的溫度梯度，無法產生即時且精確的溫度控制。
[n]	傳統之PCR後處理檢測方式是將複製後之DNA樣本取出再注入毛細管電泳管道(或其他檢測裝置)，以分離DNA並進行信號量測。但是當PCR樣本量減少到1μL以下時，反覆的注射抽取動作往往導致樣本量的減少而影響檢測結果，因此實有必要將PCR及電泳管道整合在同一晶片之上。
[n]	另外，在樣品偵測部分，傳統光學偵測方式尚有以下幾種不便之處：1.光學偵測之對位極為複雜；2.雷射光源需要定位，耗時費力；3.傳統光學檢測儀器複雜且笨重。基於種種不便之處，造成傳統光學檢測儀器製造成本甚高，並不適合商業化之量產。
[n]	綜合習知DNA樣品檢測分析方法之各種弊端，如何發展一整合PCR反應槽、毛細管電泳管道及光學偵測系統之整合型生物晶片，係為一重要之課題。
	【發明內容】
[n]	有鑑於習知微型晶片製造技術上的缺陷和弊病，本發明之目的為提供一種整合型之生物分析晶片及其製造方法，主要係應用於DNA之PCR反應、電泳分離及螢光分析。
[n]	本發明之主要目的係提供一種整合型之生物分析晶片，至少包含一微型反應槽，係裝置樣品以進行PCR反應之用；複數個微管道，係分離前述複製後之樣品之用；及一光纖結構，係作為偵測樣品訊號之用。
[n]	前述微型反應槽至少包含：一微型加熱器，係提供樣品加熱之用；一微型溫度感測器，係偵測微型反應槽內樣品之溫度；及一電極，係提供電壓並以電滲透流將複製後之樣品推入微管道。
[n]	前述微型加熱器及微型溫度感測器係由電阻層構成，且前述電阻層係由金屬所製成，例如：Pt/Cr或Pt/Ti，但不限於上述組合。
[n]	前述微型反應槽進一步包含一絕緣層，係隔離樣品與微型加熱器及微型溫度感測器，以避免短路；及一導電層，係作為電氣連接之用。
[n]	前述絕緣層係為聚亞醯胺(polyimide)或特氟隆(Teflon)，或其他類似功能之材質。
[n]	前述導電層之金屬，例如：Au/Cr、Au/Ti、Ag/Cr、Ag/Ti、Al/Cr或Al/Ti，較佳係為Au/Cr。
[n]	前述微管道之形狀可進行各種變化，例如：十字型微管道或雙十字型…等。
[n]	前述微型反應槽係藉由一IC控制器控制，以提供溫度控制之用。前述IC控制器主要包含：一濾波器(filter)，係過濾微型溫度感測器輸出之訊號，以降低雜訊值，提高信號/雜訊(S/N)比值；一類比/數位訊號轉換器(ADC)，係將類比訊號轉換為數位訊號；及一脈衝寬度調變器(PWM)，係作為判讀溫度訊號，以調變微型加熱器電源脈衝寬度來控制溫度；且前述IC控制器係由一外部連接之操作面板控制。
[n]	前述IC控制器係處理前述微型溫度感測器產生之訊號，並對微型加熱器進行控制，產生固定或特定溫度之變化。
[n]	本發明之整合型生物晶片，係配合一電源供應器，以提供前述IC控制器電源，並透過IC控制器提供微型加熱器電源。另外，本發明係透過一獨立之電滲透流控制器控制電滲透流，以驅動微管道中之樣品進行電泳分離。前述IC控制器係可整合或外接於晶片底板上。
[n]	前述晶片底板材料係可為玻璃、石英或高分子材料，例如：壓克力(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或聚二甲矽氧烷(PDMS)。
[n]	前述光纖結構至少包含：一光纖通道及光纖。前述光纖包括一光源光纖及一偵測光纖，光源光纖係連接一雷射光源，而偵測光纖則連接光偵測器。
[n]	前述光源光纖及偵測光纖係為多模光纖(multi-mode fiber)或單模光纖(single-mode fiber)，其中較佳係為多模光纖。
[n]	本發明之另一目的係提供一種整合型之生物分析晶片之製造方法，至少包含下列步驟：提供一晶片底板；沉積金屬於前述晶片底板上作為電阻層；沉積金屬於前述晶片底板上作為導電層；塗佈絕緣層於前述晶片底板、電阻層及導電層之表面；提供一晶片夾板及一晶片上板；蝕刻微管道及光纖通道於前述晶片夾板及晶片上板；在前述晶片上板及夾板之特定位置鑽孔作為液體導入及流出之用；接合前述晶片夾板及晶片上板，形成微管道及光纖通道；將光纖放入前述光纖通道中並固定；最後，將晶片底板結合於前述已接合之晶片夾板下方，即可製成整合型生物分析晶片前述光纖包含光源光纖及偵測光纖。
[n]	前述晶片上板、晶片夾板及晶片底板之材質係可為玻璃、石英或高分子材料，例如：壓克力(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或聚二甲矽氧烷(PDMS)。
[n]	前述沉積金屬之方法係可使用蒸鍍法或濺鍍法。
[n]	前述電阻層係作為微型加熱器、微型溫度感測器及電極之用，且其使用之金屬，例如：Pt/Cr或Pt/Ti，較佳係為Pt/Cr。前述電極層係作為微管道進行電泳電滲透流之電壓連結。
[n]	前述導電層之金屬，例如：Au/Cr、Au/Ti、Ag/Cr、Ag/Ti、Al/Cr或Al/Ti，較佳係為Au/Cr。
[n]	前述絕緣層係為聚亞醯胺(polyimide)或特氟隆(Teflon)，或其他類似功能之材質。
[n]	前述蝕刻方法係可使用濕式蝕刻法或乾式蝕刻法。
	【實施方式】
[n]	本實施例係使用如圖一所示之整合型生物分析晶片100並配合IC控制器及電源供應器進行試驗，結果如圖八所示，係顯示本發明之溫度感測器性能曲線圖，其顯示電阻值與溫度變化為一線性關係，其斜率(電阻溫度係數)為0.00315/℃，因此，在PCR溫度操作範圍內可提供準確的溫度訊號。
[n]	圖九係顯示本發明之PCR溫度循環曲線，結果顯示，當樣品體積為900 nL，溫度上升速率為20 ℃/sec，溫度下降速率為10 ℃/sec，平均使用功率為1.24 W。本發明之微型反應槽中之微型加熱器可於短時間內昇溫及降溫，且溫度準確度為t0.1 oC，並透過IC控制器中事先設定之溫控程式，可精確地控制微型反應槽中進行PCR反應時之溫度變化。
[n]	本發明之實施例係使用HTR6為引子，其長度為248bps，PCR樣本內共包含DNA 300nL、HTR6 36nL、緩衝液90nL、Mg⁺⁺54nL、dNTP 72 nL、Taq 6 nL及水342nL，混合成為總體積為900 nL的PCR樣本，置入晶片中之微型反應槽中，施以適當密封效果後，進行歷時15分鐘的32次PCR溫度循環，其DNA複製量即可達到供後續電泳分析之最少量。
[n]	將前述經PCR反應後放大之DNA樣本，利用晶片中電極建立電位產生電滲透流驅動DNA樣本進入微管道中進行分離，電泳分離之注射電壓為1.2 kV，分離電壓為2.0 kV，分離時間為兩分鐘，之後，於微管道後段藉由整合於晶片上之光纖結構偵測樣本訊號。偵測過程係經由光纖結構中光源光纖，將激發光源為波長632.8 nm之He-Ne雷射光引入，並透過偵測光纖將偵測到的螢光反應連結到光偵測器，進行線上即時螢光檢測分析。圖十係為分離經PCR反應複製後之DNA電泳分析圖，從圖上可知本發明以較短的PCR溫度循環時間即可達到DNA複製效果，並可即時導入微管道中進行電泳檢測分析，且配合整合於晶片上之光纖結構進行線上即時偵測。
[n]	利用本發明之整合型之生物分析晶片，所需之樣品量極少，為傳統PCR溫度循環器之二十分之一以下，對極少量之樣品亦可進行PCR複製，並可對複製後的DNA立即進行生醫檢測分析。
[n]	以上所舉之本發明之實施例只要不脫離本發明之要旨，可進行種種晶片上設計之變更，其保護範圍由以下之申請專利範圍所界定。
[n]	本發明係提供一種整合型之生物分析晶片及其製造方法，相較於習知之技術，其優點如下：1、本發明係可快速、簡單、可靠地製作一整合微型反應槽、微管道及光纖結構之生物分析晶片，其製程完全由生物相容性材料直接形成，不需使用任何昂貴之化學氣相沉積或電漿蝕刻設備，僅需標準光刻顯影、金屬薄膜沉積、化學濕式蝕刻及鑽孔步驟，輔以極為高可靠度之熔接接合技術則完成本發明之前述晶片。2、本發明係以相同金屬同時蒸鍍於晶片底板上而形成微型溫度感測器、微型加熱器及電極，簡化金屬沉積步驟。3、本發明所需之樣品量極少，因此，對極少量之樣本亦可進行各種生化反應。4、本發明之微型加熱器與溫度感測器皆置於微型反應槽內，可得即時的溫度量測值，並進行精確的溫度控制。5、本發明採用自然冷卻方式，不需加裝任何散熱裝置即可達到10 ℃/sec之溫度下降率，可降低材料成本、消耗功率及溫度循環時間。6、本發明晶片上之反應槽溫度上升及下降速率極大，可有效降低反應中的調溫等待時間。7、本發明係將光纖結構整合於晶片中，因此操作時不需任何之光學對位機構，免除體積龐大且昂貴之光學設備，並以廉價之光源(例如：發光二極體或半導體雷射)作為檢測光源，配合微小化之光偵測單元可將整個檢測裝置體積大幅縮小，並製作成可攜式檢測設備。8、本發明之裝置可與電腦整合檢測系統，將量測訊號即時以電腦處理，進行即時檢測之功能及資料之分析。9、本發明將PCR與毛細管電泳裝置整合於同一晶片之上，將可避免操作中樣本的浪費，並大幅減少操作時間。
[n]	綜上所述，本發明可廣泛被利用於生化分析、醫療檢測、刑事鑑定等各種分析領域，以增進人類社會之福祉。
	【圖式簡單說明】
[n]	圖一係本發明之整合型之生物分析晶片立體示意圖。
[n]	圖二係本發明之整合型之生物分析晶片之晶片上板、夾板及底板之立體分解圖。
[n]	圖三係圖二之虛線部分放大後平面圖。
[n]	圖四(A)至圖四(C)係本發明晶片上之微型反應槽之製程方法流程圖。
[n]	圖五係本發明之微型反應槽之溫度控制系統方塊圖。
[n]	圖六係本發明晶片上之光纖結構偵測系統平面示意圖。
[n]	圖七(A)至圖七(F)係本發明晶片上之微管道及光纖結構之製造方法流程圖。
[n]	圖八係本發明晶片上之溫度感測器性能曲線圖。
[n]	圖九係本發明微型反應槽之PCR溫度循環曲線圖。
[n]	圖十係利用本發明之整合型生物分析晶片檢測DNA樣本之電泳圖譜。
	【主要元件符號說明】
[y]	10．．．微型反應槽
[y]	11．．．晶片底板
[y]	12．．．晶片夾板
[y]	13．．．晶片上板
[y]	20．．．微管道
[y]	21、21’．．．孔洞
[y]	30．．．光纖結構
[y]	31．．．光纖通道
[y]	32．．．光源光纖
[y]	33．．．偵測光纖
[y]	34．．．光源
[y]	35．．．光偵測器
[y]	40．．．IC控制器
[y]	41．．．濾波器
[y]	42．．．數位類比轉換器
[y]	43．．．脈衝寬度調變器
[y]	44．．．電源供應器
[y]	45．．．操作面板
[y]	50．．．電阻層
[y]	51．．．導電層
[y]	52．．．絕緣層
[y]	61．．．光阻層
[y]	62．．．光罩
[y]	100．．．整合型之生物分析晶片
[y]	101．．．微型加熱器
[y]	102．．．微型溫度感測器
[y]	103．．．電極
[y]	200．．．溫度控制系統

七、

申請專利範圍：

1.一種整合型之生物分析晶片，至少包含：一微型反應槽，係裝置樣品以進行PCR反應之用；複數個微管道，係分離前述複製後之樣品之用；及一光纖結構，係作為偵測樣品訊號之用。
2.如申請專利範圍第1項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述微型反應槽係藉由一IC控制器控制其溫度變化。
3.如申請專利範圍第1項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述微型反應槽至少包含：一微型加熱器，係提供樣品加熱之用；及一微型溫度感測器，係偵測微型反應槽內樣品之溫度。
4.如申請專利範圍第1項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述微型加熱器及微型溫度感測器係由電阻層構成。
5.如申請專利範圍第4項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述電阻層係由Pt/Cr或Pt/Ti所製成。
6.如申請專利範圍第1項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述微型反應槽進一步包含：一絕緣層，係隔離樣品與微型加熱器及微型溫度感測器，以避免短路；及一導電層，係作為電氣連接之用。
7.如申請專利範圍第6項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述絕緣層係為聚亞醯胺、鐵氟龍或其他類似功能之材質。
8.如申請專利範圍第6項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述導電層係由Au/Cr、Au/Ti、Ag/Cr、Ag/Ti、Al/Cr或Al/Ti等金屬組合所製成。
9.如申請專利範圍第8項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述金屬組合較佳係為Au/Cr。
10.如申請專利範圍第2項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述IC控制器主要包含：一濾波器，係過濾微型溫度感測器輸出之訊號，以降低雜訊值，提高信號/雜訊比值；一類比/數位訊號轉換器係將類比訊號轉換為數位訊號；及一脈衝寬度調變器，係作為判讀溫度訊號，以調變微型加熱器電源脈衝寬度來控制溫度。
11.如申請專利範圍第10項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述IC控制器係由一外部連接之操作面板控制。
12.如申請專利範圍第1項所述之整合型之生物分析晶片，其係藉由一電源供應器提供電滲透流之驅動電壓及前述IC控制器之電源。
13.如申請專利範圍第2項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述IC控制器係可整合或外接於晶片底板上。
14.如申請專利範圍第13項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述晶片底板材料係可為玻璃、石英或高分子材料。
15.如申請專利範圍第14項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述高分子材料係可為壓克力、聚碳酸酯或聚二甲矽氧烷。
16.如申請專利範圍第1項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述光纖結構至少包含：一光纖通道及光纖。
17.如申請專利範圍第16項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述光纖包括：一光源光纖及一偵測光纖。
18.如申請專利範圍第17項所述之整合型之生物分析晶片，其中前述光源光纖係連接一雷射光源，而偵測光纖則連接光偵測器。
19.如申請專利範圍第17項所述之整合型之生物分析晶片，前述光源光纖及偵測光纖係可為多模光纖或單模光纖。
20.一種整合型之生物分析晶片之製造方法，至少包含下列步驟：提供一晶片底板；沉積金屬於前述晶片底板上作為電阻層；沉積金屬於前述晶片底板上作為導電層；塗佈絕緣層於前述晶片底板、電阻層及導電層之表面；提供一晶片夾板及一晶片上板；蝕刻微管道及光纖通道於前述晶片夾板及晶片上板；在前述晶片上板及夾板之特定位置鑽孔作為液體導入及流出之用；接合前述晶片夾板及晶片上板，形成微管道及光纖通道；將光纖放入前述光纖通道中並固定；及將晶片底板結合於前述已接合之晶片夾板下方，即可製成整合型生物分析晶片。
21.如申請專利範圍第20項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，前述晶片上板、晶片夾板及晶片底板之材質係可為玻璃、石英或高分子材料。
22.如申請專利範圍第21項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，其中前述高分子材料係可為壓克力、聚碳酸酯或聚二甲矽氧烷。
23.如申請專利範圍第20項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，其中前述沉積金屬之方法係可使用蒸鍍法或濺鍍法。
24.如申請專利範圍第20項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，前述電阻層係作為微型加熱器、微型溫度感測器及電極之用。
25.如申請專利範圍第20項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，其中前述電阻層之金屬係可為Pt/Cr或Pt/Ti。
26.如申請專利範圍第20項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，其中前述電極層係作為微管道進行電泳電滲透流之電壓連結。
27.如申請專利範圍第20項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，其中前述導電層之金屬係可為Au/Cr、Au/Ti、Ag/Cr、Ag/Ti、Al/Cr或Al/Ti。
28.如申請專利範圍第20項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，其中前述絕緣層係為聚亞醯胺、鐵氟龍或其他類似功能之材質。
29.如申請專利範圍第20項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，其中前述蝕刻方法係可使用濕式蝕刻法或乾式蝕刻法。
30.如申請專利範圍第20項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，其中前述電阻層係作為微型加熱器、微型溫度感測器及電極之用。
31.如申請專利範圍第20項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，其中前述光纖係為單模光纖或多模光纖。
32.如申請專利範圍第31項所述之整合型之生物分析晶片之製造方法，其中前述光纖較佳係為多模光纖。

八、	圖式：
	圖一圖二圖三圖四圖五圖六圖七圖八圖九圖十

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