167_091-006AP-TW

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167_091-006AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

DTD版本：

1.0.0

發明專利說明書


※申請案號：091107371	※I P C 分類：

一、	發明名稱：
	溫控式微生物晶片及其製造方法(全文下載)
	Temperature-control micro-biochip and method for producing the same

二、

中文發明摘要：

本發明為一種溫控式微型生物晶片及其製造方法，係利用微機電系統製程在晶片中形成微型反應槽，並同時整合微型溫度感測器及微型加熱器於前述微型反應槽內，並與IC控制器結合，在晶片上形成微型溫度控制系統，係可應用於PCR反應(Polymer Chain Reaction，聚合酶連鎖反應)、微型細胞培養器、微型發酵器、微型恆化器(micro chemostats)、微型細胞破碎器(micro cell disrupters)、微型薄膜分離器(micro membrane separators)及微型純化器(micro purifiers)...等需要精確溫度控制條件之微型生物反應器(micro bio-reactors)。

三、

英文發明摘要：

The present invention relates to a temperature-control micro-biochip and a method for producing the same. The present invention fabricates a chip containing a micro reaction chamberin which a micro temperature sensor and a micro heater are integrated by micro electromechanical processes. The chip associated with an IC controller to form a micro temperature-control system could be applied to micro bio-reactors which need accurate temperature-control factors and used in such as polymer chain reaction, micro cell culture tanks, micro fermentation tanks, micro chem ostats, micro cell disrupters, micro membrane separators, micro purifiers, and so forth.

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第一圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：
	100．．．溫控式微型生物晶片裝置
	10．．．晶片
	11．．．晶片底板
	20．．．微型反應槽
	21．．．微型加熱器
	22．．．微型溫度感測器
	23．．．絕緣層
	24．．．反應槽蓋板
	30．．．IC控制器
	40．．．電源供應器
	41．．．反應槽蓋板母模
	43．．．操作面板
	51．．．導電層

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]	本發明係提供一種溫控式微型生物晶片及其製造方法，利用微機電系統製程在晶片中形成微型反應槽，並同時製造出微型溫度偵測器及微型加熱器，再與IC控制器結合，在晶片上形成微型溫度控制系統。
	【先前技術】
[n]	近年來，由於微機電製程技術之發展，使得許多原本龐大之元件得以微小化，人類也逐漸可以藉由微小化之設備，從事以前所無法進行之實驗，例如：快速蛋白質反應或DNA之複製、分離以及細胞之操控...等。在眾多微機電研究領域中，將元件應用於生醫相關領域尤其受到重視。藉由微機電製程技術所生產之微型生醫晶片，其具有高效能、低樣品消耗量、低耗時、低耗能、體積小以及成本低等優點，尤其以整合PCR機制於同一晶片上之設計，最具發展潛力以及市場價值。此種晶片除了具有微型化之優勢外，更免除複雜又昂貴之檢測前處理設備及時間的耗費，使得單一晶片便具有完整之DNA複製功能。
[n]	傳統之PCR溫度循環器係將樣品置於塑膠管中，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，以複製出一定量之DNA提供後續檢測使用，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二小時以上。相對地，利用微機電製程所製造的微型生醫晶片，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。然而，對於容積不及一微升(μL)之反應槽而言，欲製造低成本、低耗能、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並不容易，且因半導體製程使用之矽晶片不具生物相容性，往往必須以耗時且昂貴之製程進行沉積與蝕刻，且置於反應槽外部之溫度感測器與加熱器會使反應槽壁形成極大的熱慣性，溫度感測器之溫度值無法反應樣本實際溫度值，且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循環控制。
	【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溫控式微型生物晶片及其製造方法，特別係應用於PCR反應。
[n]	本發明之主要目的係提供一種溫控式微型生物晶片，至少包含一微型反應槽，係裝置樣品以進行反應之用；及一IC控制器，係控制前述微型反應槽，以提供溫度控制。
[n]	前述之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。
[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。
[n]	前述之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]	本發明之溫控式微型生物晶片，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。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)；前述反應槽蓋板材料係可為聚二甲矽氧烷(PDMS)或其他類似性質之材料。
[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。
[n]	前述絕緣層係為聚亞醯胺(polyimide)或特氟隆(Teflon)。
[n]	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]	本發明之另一目的係提供一種溫控式微型生物晶片之製造方法，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；模造或蝕刻特定容積之反應槽蓋板；接合反應槽蓋板與前述絕緣層；及連接導電層及IC控制器。
[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及微型溫度感測器之用，且其使用之金屬，例如：Pt/Cr或Pt/Ti，較佳係為Pt/Cr。
[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]	本發明之較佳實施例係利用本發明上述之溫控式微型生物晶片進行PCR反應，利用微小元件(例如：微型加熱器與微型溫度感測器)之高頻率響應特性，透過IC控制器連結，對特定區域內之樣品進行溫度控制，解決傳統設備或已知晶片之高耗能、高費時、高樣品需求量與低溫度控制精確度問題，可有效提高PCR之溫度穩定性，其應用係可進一步與毛細管電泳(CE)微型管道整合於同一晶片上，形成整合型PCR-CE晶片。
	【實施方式】
[n]	本發明係有關一種溫控式微型生物晶片及其製造方法，其諸多優點與特徵將從下述詳細說明並配合圖式得到進一步的瞭解。
[n]	如圖一所示，本發明之溫控式微型生物晶片之裝置100主要由兩大部分所組成：第一部份係為晶片10；第二部分係為電源供應器40。
[n]	前述晶片10，至少包含一微型反應槽20，係裝置樣品以進行反應之用；及一IC控制器30，係控制前述微型反應槽20，以提供溫度控制。前述之微型反應槽20至少包含：一微型加熱器21，係提供樣品加熱之用；一微型溫度感測器22，係偵測微型反應槽20內樣品之溫度；及一絕緣層23，係隔離樣品與微型加熱器21及微型溫度感測器22，以避免短路。
[n]	前述之微型反應槽20主要係由晶片底板11與反應槽蓋板24所構成，其內部微型加熱器21及微型溫度感測器22之構造如圖二所示，藉由前述IC控制器30控制前述微型加熱器21，可使樣品溫度上升或下降，並可透過微型溫度感測器22即時偵測樣品溫度，達到精確控溫之效果。
[n]	前述晶片10，係經由一電源線43連接一電源供應器40，以提供前述IC控制器30電源，並透過IC控制器30提供微型加熱器21電源，以於微型反應槽20內產生不同之溫度變化。前述IC控制器30係可整合或外接於晶片底板11上。
[n]	接下來參考圖三，係本發明之微型生物晶片之溫度控制系統200示意圖。此溫度控制系統200主要之操作方式如下：首先將樣品置於晶片10上之微型反應槽20內，之後藉由IC控制器30處理經由微型溫度感測器22產生之訊號，並對微型加熱器21進行控制，產生固定或不同特定溫度變化。該溫度係由微型溫度感測器22量測溫度並將訊號傳送至IC控制器30，透過IC控制器30內預先燒錄的溫度變化模式，將可依據此溫度訊號進行對微型加熱器21電壓脈衝的控制，使微型反應槽內20之樣品溫度依設定模式進行變化，以進行各種生化反應。前述之IC控制器30之電源係由電源供應器40提供，並透過IC控制器30，提供微型加熱器21及微型溫度感測器22電源。
[n]	前述之IC控制器30主要包含：一濾波器(filter)31，係過濾微型溫度感測器輸出訊號，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)32，係將類比訊號轉換為數位訊號；及一脈衝寬度調變器(PWM)33係作為判讀溫度訊號，以調變微形加熱器電源脈衝寬度來控制溫度；且前述IC控制器30係由一外部連接之操作面板44控制，以輸入溫度及時間參數等資料。
[n]	本發明之溫控式微型生物晶片10之製造方法，將分為反應槽蓋板24及微型反應槽20兩部分詳述如下：圖四係顯示本發明之晶片10上之反應槽蓋板24之製造方法示意圖，至少包含下列步驟：首先，提供一反應槽蓋板母模41，其係利用一矽晶片或其他類似材料，將特定面積之區域蝕刻至固定深度，如圖四(A)所示；之後，如圖四(B)所示，將聚二甲矽氧烷(PDMS)42依適當配方比例調製而成，並澆灌於前述母模41上，固化之後即形成反應槽蓋板24，如圖四(C)所示。
[n]	圖五係顯示本發明之微型反應槽20之製造方法示意圖，至少包含下列步驟：如圖五(A)所示，提供晶片底板11；沉積金屬(例如：鉑/鉻)於前述晶片底板11上作為電阻層50，該電阻層50係分別形成如前述圖一所示之微型加熱器21與微型溫度感測器22；如圖五(B)所示，沉積金屬(例如：金/鉻)於前述晶片底板11及電阻層50上作為導電層51；如圖五(C)所示，塗佈絕緣層23於前述晶片底板11、電阻層50及導電層51上，用以隔離樣品與電阻層50與導電層51，避免短路；最後，如圖五(D)所示，將前述如圖四(C)所示之反應槽蓋板24與絕緣層23接合，即製成微型反應槽20。
[n]	前述之晶片底板11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]	前述形成電阻層50之金屬，例如：Pt/Cr或Pt/Ti，較佳係為Pt/Cr。前述之形成導電層51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]	前述沉積金屬之方法係可使用蒸鍍沉積法、濺鍍沉積法或其他類似之方法。
[n]	前述之絕緣層23為介電絕緣層，係使用生物相容性材料，例如：聚亞醯胺(Polyimide)或特氟隆(Teflon)，較佳係為聚亞醯胺。
[n]	利用本發明上述之微型反應槽20之製造方法並配合IC控制器30及電源供應器40，形成如圖一所示之溫控式微型生物晶片裝置100，係可應用於各種需要精確溫度控制之微型生物反應器上，例如：進行PCR反應複製DNA之技術中所須之溫控系統。以下將由一高效能之微型PCR晶片之實施例加以詳細介紹。
[n]	使用如前述圖一之裝置100形成一溫控式微形PCR晶片，其測試結果如圖六所示，係顯示本發明溫控式微型PCR晶片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]	如圖七所示，係本發明運用在維持微型反應槽為38℃恆溫之控制曲線圖，其樣品體積為900 nL，結果顯示，本發明之溫控式PCR微型晶片在單一溫度之條件下，可達到良好之恆溫控制。圖八係顯示本發明之PCR溫度循環曲線，其樣品體積為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。結果顯示，本發明之溫控式PCR微型晶片可於短時間內昇溫及降溫，且溫度準確度為±0.1℃。
[n]	利用本發明之溫控式PCR微型晶片，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，以利後續生醫檢測分析之進行。
[n]	本發明之PCR實施例係使用HTR6為引子，其長度為248bps(base pairs)，PCR樣本內共包含DNA 300nL、HTR6 36nL、緩衝液90nL、Mg⁺⁺54nL、dNTP 72nL、Taq 6 nL及水342nL，混合成為總體積為900 nL的PCR樣本，置入微型PCR晶片反應槽中，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。圖九係比較使用本發明之微型PCR晶片與傳統PCR溫度循環器(歷時2.5小時)之複製DNA的平板膠電泳分析圖，從結果可知本發明以較短的PCR溫度循環時間(15分鐘)即可達到相當好的DNA複製效果，以供電泳分析。傳統PCR溫度循環器，其DNA亮度較佳之原因為樣本量較大(25 μL)，且其溫度循環時間較長，因此，其DNA量是遠多於本發明之PCR實施例，而使用本發明之溫控式PCR晶片，則可於很短的時間內，以微量之樣品進行DNA複製以供後續各種生化分析。
[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。
	【圖式簡單說明】
[n]	圖一係本發明之溫控式微型生物晶片裝置之剖面圖。
[n]	圖二係本發明之晶片上微型反應槽內部構造之俯視圖。
[n]	圖三係本發明之微型生物晶片之溫度控制系統示意圖。
[n]	圖四係本發明之反應槽蓋板之製造方法示意圖。
[n]	圖五係本發明之微型反應槽之製造方法示意圖。
[n]	圖六係本發明溫控式微型生物晶片之溫度感測器性能曲線圖。
[n]	圖七係本發明溫控式微型生物晶片之38℃恆溫曲線圖。
[n]	圖八係本發明溫控式微型生物晶片之PCR實施例溫度循環曲線圖。
[n]	圖九係本發明溫控式微型生物晶片之PCR實施例在複製DNA後的平板膠電泳分析圖。
	【主要元件符號說明】
[y]	101．．．溫控式微型生物晶片裝置
[y]	200．．．溫度控制系統
[y]	12．．．晶片
[y]	13．．．晶片底板
[y]	20．．．微型反應槽
[y]	25．．．微型加熱器
[y]	26．．．微型溫度感測器
[y]	27．．．絕緣層
[y]	28．．．反應槽蓋板
[y]	30．．．IC控制器
[y]	40．．．電源供應器
[y]	52．．．反應槽蓋板母模
[y]	53．．．聚二甲矽氧烷(PDMS)
[y]	54．．．電源線
[y]	55．．．操作面板
[y]	50．．．電阻層
[y]	51．．．導電層

七、

申請專利範圍：

1.一種溫控式微型生物晶片，至少包含：一微型反應槽，係裝置樣品以進行反應之用；及一IC控制器，係控制前述微型反應槽，以提供溫度控制，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，前述微型加熱器及微型溫度感測器係由一電阻層構成，且前述之電阻層係由金屬製成。
2.如申請專利範圍第1項所述之晶片，其中前述之微型反應槽進一步包含：一絕緣層，係隔離樣品與前述微型加熱器及微型溫度感測器，以避免短路。
3.如申請專利範圍第1項所述之晶片，其中前述之IC控制器係可整合或外接於晶片底板上。
4.如申請專利範圍第1項所述之晶片，其中前述之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。
5.如申請專利範圍第1項所述之晶片，更進一步配合一電源供應器，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。
6.如申請專利範圍第3項所述之晶片，其中前述之晶片底板材料係可為玻璃、石英或高分子材料。
7.如申請專利範圍第6項所述之晶片，其中前述之高分子材料係可為壓克力(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或聚二甲矽氧烷(PDMS)。
8.如申請專利範圍第1項所述之晶片，其中前述之電阻層之金屬係可為Pt/Cr或Pt/Ti。
9.如申請專利範圍第1項所述之晶片，其中前述之IC控制器主要包含：一濾波器(filter)；一類比/數位訊號轉換器(ADC)；及一脈衝寬度調變器(PWM)，且前述IC控制器係由一外部連接之操作面板控制。
10.如申請專利範圍第2項所述之晶片，其中前述之絕緣層係為聚亞醯胺(polyimide)或特氟隆(Teflon)。
11.一種溫控式微型生物晶片之製造方法，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，該電阻層係作為微型加熱器及溫度感測器之用；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；模造或蝕刻特定容積之反應槽蓋板；接合反應槽蓋板與前述絕緣層；及連接導電層及IC控制器。
12.如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中前述之其中前述之晶片底板材料係可為玻璃、石英或高分子材料。
13.如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中前述之高分子材料係可為壓克力(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或聚二甲矽氧烷(PDMS)。
14.如申請專利範圍第12項所述之製造方法，其中前述電阻層之金屬係可為Pt/Cr或Pt/Ti。
15.如申請專利範圍第14項所述之製造方法，其中前述金屬較佳係為Pt/Cr。
16.如申請專利範圍第11項所述之製造方法，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。
17.如申請專利範圍第16項所述之製造方法，其中前述金屬較佳係為Au/Cr。
18.如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中前述沉積金屬之方法係可使用蒸鍍法或濺鍍法。
19.如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中前述絕緣層係為聚亞醯胺(polyimide)或特氟隆(Teflon)。
20.如申請專利範圍第11項所述之製造方法，其中前述之反應槽蓋板材料係可為聚二甲矽氧烷(PDMS)或其他類似性質之材料。
21.如申請專利範圍第1項所述之晶片，其中前述溫控式微型生物晶片係為一溫控式微型PCR晶片。

八、	圖式：
	圖一圖二圖三圖四圖五圖六圖七圖八圖九

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