专利名称：重力驱动式微泵及包含该微泵的微流体芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微泵(micropump)，尤指一种以重力方式驱动(gravity-driven)高密度惰性流体物质(inert fludic material)流动的重力驱动式微泵。本发明还涉及一种包含有该微泵的微流体芯片。本发明可应用于生物微机电系统(Bio-MEMS，Bio Micro-Electro-Mechanical-Systems)。
背景技术：
微泵应用于生物微机电技术上的形式诸多，如微流体传感器(microfluidicsensor)、微流体生物芯片(microfluidic analysis chip)、微流体细胞芯片(microfluidic cellular chip)。若以微流体生物芯片为例，可进行样品前处理、混合、传输、分离和检测等程序。从文献中可知，微泵的制作方式，种类繁多。大致上有以下的分类气泡式泵、薄膜式泵(压缩空气驱动、热压驱动、压电驱动、静电力驱动、双金属驱动、形状记忆合金与电磁式驱动)、扩散式泵、旋转式泵与电流体动力式(电渗透式/电泳式)泵等。
在1988年Van Lintel等人利用压电材料(pie zoelectric material)驱动薄膜来制作微泵。于美国第6,010,316号专利文献中，Haller等人披露一种如图1所示的微泵，其中利用经度声波(longitude acoustic wave)与微管道内一流体的交互作用来导引此流体。此微泵具有一声波转换器(acoustic transducer)105，以响应一高频输入并导引一经度声波进入一产生压力梯度(pressure gradient)的管道106，管道内流体前进的方向与声波前进的方向一致。于美国第0,196,900号专利文献中，Chuang等人披露一种水凝胶微泵(hydrogel-drivenmicropump)，利用电泳(electrophoresis)效应，驱动带电荷离子在高电压作用下产生移动。于公元2000年，Wallace利用电渗透泵(Electro-Osmotic Pump)，由外加的驱动电压与流体电荷分布之间的相互作用，所产生的驱动力来移动流体。WO 03/008102号专利文献中披露了一种利用重力方式驱动微流体的微泵，利用两个液体收容器(fluid container)401、402的高度差，达到控制固定流速的目的，如图2所示。
类似以上的微泵，可说是不胜枚举，然而无论采用何种原理或方式，其目的就是使流体在管道中能往特定方向前进，需施加一驱动的力量才能达成，但如何利用最少能量、最少成本与无污染等方式，才是最实用的微泵。
发明内容
本发明为实现一种达成所有优点的实用的微泵。其主要目的是提供一种使用于微流体芯片中的重力驱动式微泵。
为了实现上述目的，本发明提供了一种重力驱动式微泵，使用于一微流体芯片，该微流体芯片含有至少一种分别储存的试剂和一废液槽，该重力驱动式微泵包含一管道(channel)；一惰性流体物质，置于该管道中；以及一吸力导管(suction channel)，用以连结该管道至该废液槽；其中该惰性流体物质预置于该管道中，当该管道以一直立或一倾斜角度摆放时，循该管道向下流，用以提供于该微流体芯片中的该试剂导引动力。
根据本发明，当此管道为一迂回管道时，具备了一些优点。这些优点包括(1)逐步释放位能(potential)，(2)延长流动路径(flow path)，(3)利用回转点(turning point)作为缓冲，来控制惰性流体物质的流率(flow rate)。本发明所采用的惰性流体物质是高密度物质，如多糖粘液(Ficoll)、全氟化合物(PerFluoroChemicals)。
本发明的提供的重力驱动式微泵的另外的有益效果是，不用试剂(reactant)本身的质量作为重力导引(driving force)的来源，以避免试剂历经各式生化反应后产生质或量的变化，干扰重力导引运作机制的运作。
本发明另一个目的是提供一种包含上述重力驱动式微泵的微流体芯片。
为了实现上述目的，本发明提供了一种微流体芯片，包含至少一试剂槽(reactant chamber)；至少一进气管(air inlet channel)，连接至该试剂槽；一反应室(reaction chamber)，连接至该试剂槽；一废液槽(waste fluid chamber)，连接至该反应室；一吸力导管，连接至该废液槽；一管道，连接至该吸力导管；以及一惰性流体物质，置于该管道中；其中该进气管最初为密封状态，并且该惰性流体物质预置于该管道中，当该管道以一直立(standing)或一倾斜角度(declining)摆放时，因重力的关系，循该管道向下流。
因重力驱动此惰性流体物质流动所释放的位能，提供导引动力导引试剂槽内试剂流入微流体芯片的反应室。本发明放置一特定体积的高密度惰性流体物质于此微流体芯片。
总而言之，本发明提供一内建重力驱动式微泵的微流体芯片，此微泵的主要特色是具有一管道供惰性流体物质流入，其置放一特定体积的高密度、惰性流体物质于此芯片。因此，本发明提供一简单、方便又稳健的微流体导引来源。本发明因设有此内建微泵，故无污染并可节省生物芯片与其外围装置间管线连结的制造成本。
现配合下列附图、实施例的详细说明及权利要求书，将上述及本发明的其它目的与优点详述于后。
图1为一现有的微泵，其由经度声波与微管道内一流体的交互作用来导引此流体；图2是一现有的具有固定流速的微流体重力式泵；图3是本发明微流体芯片结构的示意图；图4说明了本发明依不同的任务需求可选用不同的流体物质的实验结果；图5为使用不同体积的惰性流体物质所完成的实验结果；图6是本发明实施例中利用不同倾斜角度摆放所完成的实验结果；图7是使用不同体积的惰性流体物质以测量拖曳速度的实验结果。
其中，附图标记说明如下105声波转换器106管道401液体收容器402液体收容器301进气管302试剂槽303反应室304废液槽305微泵 305a管道305b惰性流体物质 305c吸力导管
具体实施例方式
图3是本发明微流体芯片结构的示意图。如图3所示，微流体芯片300包含至少一进气管301、至少一试剂槽302、一反应室303、一废液槽304以及一内建微泵305。微泵305包含一管道305a、在管道305a中的一高密度惰性流体物质305b，以及一吸力导管305c。进气管301连接至各试剂槽302，试剂槽302用来储存反应前的试剂(未显示)。在试剂槽302的底部有一管道，试剂经由此管道流进产生反应的反应室303。废液槽304一端连接反应室，另一端连接吸力导管305c。废液槽304用以储存反应后的流体。吸力导管305c一端连接废液槽304，另一端连接管道305a。
根据本发明，管道305a内置放一特定体积的高密度、惰性流体物质，以下参考图3说明本发明的工作原理。惰性流体物质305b预置于管道305a内，进气管301全部密封(未显示)使空气完全不能进入。当微流体芯片300以直立或倾斜角度摆放且进气管的封口移开时，因重力的关系，惰性流体物质305b开始循管道305a向下流，致使上端管道形成负压拖曳力，并经由废液槽304与反应室303，于吸力导管305c内产生吸力。上述吸力导引试剂槽302内试剂流入反应室303，当试剂流经反应室时引发反应，再进一步流入废液槽304。
如上所述，若管道305a是一迂回管道时，拥有许多优点。为求简便，将图3实施例中的管道305a绘成一迂回管道，如图3所示，迂回管道305a更包含多个回转点O，这些回转点有如速度调整器(regulator)，可降低惰性流体物质305b向下流的速度，如此可控制流动速度维持在一定的速率。迂回管道的设计目的有三(1)逐步释放惰性流体物质的位能，避免逆重力方向的路程损耗能量。(2)延长流动路程，以增加微泵305的总导引量。(3)利用多个的回转点作为缓冲，以控制惰性流体物质的流动率。本发明所采用的惰性流体物质是高密度物质，如多糖粘液、全氟化合物。
有一些因素会影响导引力量大小与试剂的总反应时间。这些因素包括惰性流体物质的密度、粘度、与微管道间的摩擦力(friction)、迂回管道的形式与长度等，故上述因素可作为本发明微流体芯片的控制参数。
图4说明根据本发明的实验结果，说明了不同的任务需求可选用不同的流体物质来完成。迂回管道内分别置入各类流体物质以评估其总导引力量大小。使用的物质包含纯水(密度1g/cm3)、粘多糖溶液(密度1.11g/cm3)、全氟化合物FC-43(密度1.86g/cm3)、全氟化合物FC-70(密度1.94g/cm3)。图4为实验结果的分布图，其纪录重力驱动式流体物质所能导引的水柱高度(单位mmH2O)。此结果显示500u的粘多糖溶液、FC-43与FC-70所导引的水柱高度分别为60mm、113.5mm与119.5mm。
图5为使用不同体积的全氟化合物FC-70的另一实验结果。此结果显示的是使用不同体积500ul、400ul、300ul、200ul与100ul的全氟化合物FC-70作为本发明的惰性流体物质时，此重力驱动式惰性流体物质所能导引的水柱高度。结果指出惰性流体物质的体积越大，所能导引的水柱高度越高，两者之间呈现接近线性关系。
图6所示是另一实验，以不同的倾斜角度(declining angle)摆放作为流动控制因素的实验结果。横轴代表微流体芯片的倾斜角度(单位度)，而纵轴代表此重力驱动式惰性流体物质所能导引的水柱高度。微流体芯片以不同的倾斜角度摆设，分别测量所能导引的水柱高度结果，两者均呈现良好的线性关系，图5与图6证实惰性流体物质体积与微流体芯片倾斜角度也可作为本发明的控制参数。
图7说明了又一个实验结果，使用不同体积的惰性流体物质FC-70以测量与微泵连接的平面管道中水的拖曳速度。横轴代表时间(单位秒)，而纵轴代表平面管道中水的导引体积(单位微升)。因此，在图7中，线的斜率代表拖曳速度。本实验分别利用200ul、300ul、400ul与500ul的FC-70以导引水，图7的结果说明了导引力量虽依流体物质体积的增加而增加，但拖曳速度仍稳定，仅有微量的标准差(0.27ul/s)。换言之，实验结果说明了本发明的拖曳速度稳定不受导引体积的增加而有大幅影响。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明的实施范围。所有依本发明精神所作的均等变化与修饰，均属于本发明专利涵盖的范围内。
权利要求
1.一种重力驱动式微泵，使用于一微流体芯片，该微流体芯片含有至少一种分别储存的试剂及一废液槽，该重力驱动式微泵包含一管道；一惰性流体物质，置于该管道中；以及一吸力导管，用以连结该管道至该废液槽；其中当该管道以一直立或一倾斜角度摆放时，该惰性流体物质循该管道向下流，用以提供于该微流体芯片中的该试剂导引动力。
2.如权利要求1所述的重力驱动式微泵，其中该管道为一迂回管道。
3.如权利要求1所述的重力驱动式微泵，其中该惰性流体物质为一高密度物质。
4.如权利要求1所述的重力驱动式微泵，其中该惰性流体物质预置于该管道的顶端。
5.如权利要求2所述的重力驱动式微泵，其中该管道包含多个回转点。
6.如权利要求3所述的重力驱动式微泵，其中该惰性流体物质为多糖粘液。
7.如权利要求3所述的重力驱动式微泵，其中该惰性流体物质为全氟化合物。
8.一种微流体芯片，包含至少一试剂槽；至少一进气管，连接至该试剂槽；一反应室，连接至该试剂槽；一废液槽，连接至该反应室；一吸力导管， 连接至该废液槽；一管道，连接至该吸力导管；以及一惰性流体物质，置于该管道中；其中该进气管最初为密封状态，当该管道以一直立或一倾斜角度摆放时，该惰性流体物质循该管道向下流。
9.如权利要求8所述的微流体芯片，其中该惰性流体物质为一高密度物质。
10.如权利要求9所述的微流体芯片，其中该惰性流体物质为多糖粘液。
11.如权利要求9所述的微流体芯片，其中该惰性流体物质为全氟化合物。
12.如权利要求8所述的微流体芯片，其中该惰性流体的体积是可调节的。
13.如权利要求8所述的微流体芯片，其中每一个试剂槽用以储存不同的试剂。
14.如权利要求8所述的微流体芯片，其中当该微流体芯片启动时，该进气管未密封且该微流体芯片以一直立或一倾斜角度摆放。
15.如权利要求8所述的微流体芯片，其中该惰性流体物质预置于该管道的顶端。
16.如权利要求14所述的微流体芯片，其中该倾斜角度是可调节的。
17.如权利要求8所述的微流体芯片，其中该惰性流体物质循该管道向下流并衍生一吸力，以作为一微泵，将各试剂槽内的该试剂拖曳而流入该反应室里去反应。
全文摘要
本发明提供一种重力驱动式微泵，及内建该重力驱动式微泵的微流体芯片。此重力驱动式微泵包含一迂回管道、一惰性流体物质置于此迂回管道中，以及一吸力导管连结此迂回管道至此微流体芯片，此迂回管道供惰性流体物质流入。一特定体积、高密度的惰性流体物质置于此迂回管道中，当作此生物芯片中的微泵。当微流体芯片以直立或倾斜角度摆放时，因重力的关系，此惰性流体物质循迂回管道向下流。本发明提供一简单、方便又稳健的微流体导引来源。本发明因设有此内建微泵，故无污染并可节省生物芯片与其外围装置间管线连结的制造成本。
文档编号B01J19/00GK1690413SQ20041006412
公开日2005年11月2日 申请日期2004年8月19日 优先权日2004年4月28日
发明者姚南光, 吴志文 申请人:财团法人工业技术研究院