专利名称：微流体操控装置及其操作方法
技术领域：
本发明是与微流体操控有关，特别是关于一种能够通过光图样(optical pattern)的位置改变来调整在光导材料层上所形成的各虚拟电极的排列及成形比例，由此操控微流体在流道中的运动状态的微流体操控装置及其操作方法。
背景技术：
近年来，随着生物科技不断地进步与蓬勃发展，生化检测领域的重要性亦日益提升，因此，市面上亦出现了相当多与生化检测相关的各种仪器。举例而言，采用微流体系统的各种生医晶片可广泛地应用于不同的用途上，例如撷取罕见种类的细胞、药物试剂的混合或微小粒子的操控等。在目前常见的生医晶片所采用的微流体系统中，所有的电渗透流 (Electro-Osmotic Flow, EOF)是通过各种不同尺寸大小的电极的设置来控制微流体的流动方向。然而，当使用者实际运用该些生医晶片时所遭遇最大的困扰在于在外加电压的频率固定的前提下，微流体的流动方向并无法改变，因而导致使用者难以自由调整或改变微流体的流动方向，故操控微流体的方便性及灵活度便会受到相当严重的限制。除非使用者能够一直去改变各种尺寸的电极的位置或持续改变外加电压及其频率，才能使得微流体的流动方向较为容易被操控，但实际上这些作法并不可行，反而会造成使用者更加不便，甚至其他不良的影响。因此，本发明提出一种微流体操控装置及其操作方法，以解决上述问题。

发明内容
本发明的一范畴在于提出一种微流体操控装置。有别于传统的微流体操控装置所采用的电渗透流(Electro-Osmotic Flow, EOF)机制，该微流体操控装置采用光电渗透流(Opto-Electro-Osmotic Flow，0E0F)机制，通过光图样(optical pattern)的位置改变来调整在光导材料层上所形成的各虚拟电极的排列与成形比例，由此操控微流体的运动状态。根据本发明的第一具体实施例为一种微流体操控装置。在此实施例中，微流体操控装置包含光导材料层及流道。当具有特定光图样的光线射向光导材料层时，光导材料层根据特定光图样形成至少三虚拟电极。至少三虚拟电极包含第一虚拟电极及位于第一虚拟电极两侧的第二虚拟电极与第三虚拟电极。第一虚拟电极与第三虚拟电极的间距、第一虚拟电极的宽度、第一虚拟电极与第二虚拟电极的间距以及第二虚拟电极的宽度具有特定比例。当特定光图样发生一变化时，至少三虚拟电极亦随该变化改变而产生一电渗透力，由此操控微流体在流道内的运动状态。在实际应用中，第一虚拟电极与第三虚拟电极的间距(Gl)、第一虚拟电极的宽度 (Wl)、第一虚拟电极与第二虚拟电极的间距(G》及第二虚拟电极的宽度(M)之间的特定比例为1 :5:1: 3。光导材料层是由电阻值随光变化的物质构成，光导材料层可为电荷产生层材料TiOPc (Titanium Oxide Phthalocyanine)(amorphous silicon, a-Si)
或聚合物(polymer)。在此实施例中，微流体操控装置采用一光电渗透流(Opto-Electro-Osmotic Flow,0E0F)机制，通过改变光图样的位置来调整在光导材料层上所形成的该至少三虚拟电极的成形比例，以操控该微流体。在不改变电压及频率的条件下，微流体操控装置操控该微流体中的粒子的运动方向或旋转方向，致使该微流体形成趋动、混合、集中、分离及漩涡的运动状态。根据本发明的第二具体实施例为一种微流体操控装置操作方法。在此实施例中， 该微流体操纵装置操作方法应用于一微流体操纵装置，该微流体操纵装置包含一流道及一光导材料层。该微流体操纵装置操作方法包含下列步骤(a)当具有一特定光图样的一光线射向该光导材料层时，该光导材料层根据该特定光图样形成至少三虚拟电极；(b)当该特定光图样发生一变化时，该至少三虚拟电极亦随该变化改变而产生一电渗透力，由此操控一微流体在该流道内的运动状态。其中，该至少三虚拟电极包含一第一虚拟电极、一第二虚拟电极及一第三虚拟电极，该第二虚拟电极与该第三虚拟电极位于该第一虚拟电极的两侧，并且在该第一虚拟电极与该第三虚拟电极的间距、该第一虚拟电极的宽度、该第一虚拟电极与该第二虚拟电极的间距及该第二虚拟电极的宽度之间，具有一特定比例。在实际应用中，第一虚拟电极与第三虚拟电极的间距(Gl)、第一虚拟电极的宽度 (Wl)、第一虚拟电极与第二虚拟电极的间距(G》及第二虚拟电极的宽度(M)之间的特定比例为1 :5:1: 3。光导材料层是由电阻值随光变化的物质构成，光导材料层可为电荷产生层材料TiOPc (Titanium Oxide Phthalocyanine)(amorphous silicon, a~Si) 或聚合物(polymer)。在此实施例中，微流体操控装置采用一光电渗透流机制，通过改变光图样的位置来调整在光导材料层上所形成的该些虚拟正电极及虚拟负电极的排列及成形比例，由此在不改变电压及频率的条件下，微流体操控装置能够操控微流体中的粒子的运动方向或旋转方向，致使微流体形成趋动、混合、集中、分离及漩涡的运动状态。相较于现有技术中传统的微流体操控装置所采用的电渗透流(EOF)机制，根据本发明的微流体操控装置及其操作方法采用光电渗透流(0E0F)的机制，在不改变电压及频率的条件下，通过光图样(optical pattern)的位置改变来调整在光导材料层上所形成的各虚拟电极的排列及成形比例，由此操控微流体的各种运动状态。由此，根据本发明的微流体操控装置及其操作方法能够有效提升使用者在操纵上的方便性及灵活性，不必麻烦地去改变各种尺寸的电极的位置或持续改变外加电压及其频率，故可广泛地应用于各种微流体系统中，例如生医晶片、药物试剂混合、细胞或微小粒子操纵等，极具有市场潜力及未来发展性。关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。


图1是绘示根据本发明的第一具体实施例的微流体操控装置的外观示意图。图2绘示铟锡氧化物电极13及14的间距与宽度的比例关系。图3A是绘示具有特定光图样12的光线射向微流体操控装置1的光导材料层11 的侧面示意图。图:3B是绘示由于图3A中的特定光图样12已位移至特定光图样12'，导致光导材料层11上形成不同的虚拟电极的侧面示意图。图4A及图4B是绘示采用上述光电渗透流机制操控微流体的运动状态的一范例。图5A及图5B是绘示采用上述光电渗透流机制操控微流体的运动状态的另一范例。图6则是绘示通过光电渗透流机制操控微流体的运动状态的另一范例。图7是绘示根据本发明的第二具体实施例的微流体操控装置操作方法的流程图。主要元件符号说明SlO S12 流程步骤1、1'微流体操控装置11 光导材料层W1、W2 铟锡氧化物电极的宽度Gl、G2 铟锡氧化物的间距12,12'特定光图样112,112'虚拟负电极
具体实施例方式根据本发明的第一具体实施例为一种微流体操控装置。在此实施例中，该微流体操控装置是用以操控一微流体的一运动状态。实际上，该微流体可以是任何种类或型式的生物检体或化学检体，并无特定的限制。请参照图1，图1是绘示该微流体操控装置的外观示意图。如图1所示，微流体操控装置1包含光导材料层11。实际上，光导材料层11 是由电阻值随光变化的物质构成，举例而言，光导材料层11可以是电荷产生层材料 TiOPc (Titanium Oxide Phthalocyanine)(amorphous silicon, a-Si)或聚合物 (polymer)，但不以此为限。在此实施例中，光导材料层11包含正电极及负电极，例如带正电的铟锡氧化物 (Indium Tin Oxide, IT0)电极13以及带负电的铟锡氧化物(ITO)电极14。其中，铟锡氧化物电极13与交流电源15的正极耦接，铟锡氧化物电极14与交流电源15的负极耦接。如图 2所示，铟锡氧化物电极14与两侧的铟锡氧化物电极13的间距分别为Gl及G2，并且铟锡氧化物电极14与铟锡氧化物电极13的宽度分别为Wl及W2。实际上，Gl Wl G2 W2 可以是1 :5:1: 3，光导材料层11所包含的正电极及负电极亦可以是金属电极，只要改从晶片上方打光即可，但不以此为限。接着，回到图1，当具有特定光图样12的光线射向光导材料层11时，光导材料层 11将会根据特定光图样12形成虚拟正电极110以及虚拟负电极112。其中，虚拟正电极 110与虚拟负电极112的宽度比为1 5，并且虚拟负电极112与两侧的虚拟正电极110的
16 流道 15 交流电源 13、14 铟锡氧化物电极
IlOUlO'虚拟正电极间距比为1:3。在实际应用中，具有特定光图样12的光线可以由任何型式的光源发射装置所发射出，例如传统的灯泡、萤光灯或发光二极体(LED)等，并且该等光源发射装置的数目及其设置的位置均可视实际需求而定，并无特定的限制。此外，特定光图样12的样式亦可视实际需求而定。请参照图3A，图3A是绘示具有特定光图样12的光线射向微流体操控装置1的光导材料层11的侧面示意图。如图3A所示，由于光导材料层11上形成了虚拟正电极 110与虚拟负电极112而产生光电驱动效果，导致在光导材料层11上方流道16内流动的微流体将会由左向右地流动，并且在流道16中的某些地方产生顺时针方向转动的漩涡状流动。在实际应用中，该光电驱动效果可以是电泳(electrophoresis，EP)机制、介电泳 (dielectrophoresis, DEP)机制或其他任何通过电极提供电场及/或磁场变化的机制。所谓的“电泳机制”的定义是带电颗粒在电场作用下，朝向与其电性相反的电极移动。举例而言，在电场作用下，正电荷将会朝向负电极移动而负电荷则会朝向正电极移动。至在“介电泳机制”则是指粒子受到不均勻电场作用而产生移动的现象。当粒子在不均勻电场中受到极化时，由于受到不对称的电场吸引力，因而粒子将会朝向电场强或弱的方向移动。实际上，介电泳机制可用以操控任何带电或不带电的粒子，例如细胞、细菌、蛋白质、DNA或纳米碳管等微小物质。接着，请参照图3B，图;3B是绘示由于图3A中的特定光图样12已位移至特定光图样12'，导致光导材料层11上形成不同的虚拟电极的侧面示意图。如图:3B所示，由于特定光图样12'是由原来的特定光图样12向右位移而得，因而导致光导材料层11上所形成的虚拟电极排列方式亦与图3A不同。此时，由于图:3B中的虚拟负电极112'及虚拟正电极110'的排列方式与图3A中的虚拟负电极112及虚拟正电极110的排列方式相反，因而导致在光导材料层11上方流道内流动的微流体将会受到光电驱动效果而由右向左地流动，并且在某些地方产生逆时针方向转动的漩涡状流动。同样地，该光电驱动效果可以是电泳(EP)机制、介电泳(DEP)机制或其他任何通过电极提供电场及/或磁场变化的机制。由此，本发明即可采用光电渗透流机制，通过改变光图样的位置来调整在光导材料层上所形成的虚拟正电极及虚拟负电极的成形比例，在不改变电压及频率的条件下，操控微流体中的粒子的运动方向或旋转方向，致使微流体形成各种不同的运动状态。接下来，将列举数种采用上述光电渗透流机制操控微流体的运动状态的不同范例。首先，请参照图4A及图4B，图4A及图4B是绘示采用上述光电渗透流机制操控微流体的运动状态的一范例。在此实施例中，使用者可通过两个光电渗透流的反方向流动形成一微流体漩涡。如图4A所示，当使用者以具有一光图样的光线照射光导材料层，导致左方的光电渗透流向下方流动且右方的光电渗透流向上方流动时，位于两者中央的微流体将会产生逆时针旋转的漩涡状运动。当使用者改变该光图样的位置(例如向右方位移)时，如图4B所示，左方的光电渗透流将会转而向上方流动且右方的光电渗透流转而向下方流动，此时，位于两者中央的微流体将会转而产生顺时针旋转的漩涡状运动。
接着，请参照图5A及图5B，图5A及图5B是绘示采用上述光电渗透流机制操控微流体的运动状态的另一范例。在此实施例中，使用者可通过三个具有不同流动方向的光电渗透流形成两个微流体漩涡。如图5A所示，当使用者以具有一光图样的光线照射光导材料层，导致左方及右方的光电渗透流均向下方流动且中央的光电渗透流向上方流动时，位于左方的光电渗透流与中央的光电渗透流之间的微流体将会产生逆时针旋转的漩涡状运动，而位于右方的光电渗透流与中央的光电渗透流之间的微流体将会产生顺时针旋转的漩涡状运动。如图5B所示，当使用者改变该光图样的位置，导致左方及右方的光电渗透流均转而向上方流动且中央的光电渗透流转而向下方流动时，位于左方的光电渗透流与中央的光电渗透流之间的微流体将会转而产生顺时针旋转的漩涡状运动，而位于右方的光电渗透流与中央的光电渗透流之间的微流体将会转而产生逆时针旋转的漩涡状运动。至于图6则是绘示通过光电渗透流机制操控微流体的运动状态的另一范例。如图 6所示，由于位于下方的光电渗透流是由右方流动至左方，使得位于光电渗透流上方的微流体将会受到影响而产生顺时针旋转的漩涡状运动。根据本发明的第二具体实施例为一种微流体操控装置操作方法。在此实施例中， 该微流体操纵装置操作方法是应用于一微流体操纵装置，该微流体操纵装置包含一流道及一光导材料层。请参照图7，图7是绘示该微流体操纵装置操作方法的流程图。如图7所示，该微流体操纵装置操作方法包含下列步骤首先，在步骤SlO中，当具有一特定光图样的一光线射向该光导材料层时，该光导材料层根据该特定光图样形成至少三虚拟电极。该光线可以由任何型式的光源发射装置所发射出，例如传统的灯泡、萤光灯或发光二极体(LED)等，并且该等光源发射装置的数目及其设置的位置均可视实际需求而定，并无特定的限制。此外，该特定光图样的样式亦可视实际需求而定。其中，该至少三虚拟电极包含一第一虚拟电极、一第二虚拟电极及一第三虚拟电极，该第二虚拟电极与该第三虚拟电极是位于该第一虚拟电极的两侧，并且在该第一虚拟电极与该第三虚拟电极的间距、该第一虚拟电极的宽度、该第一虚拟电极与该第二虚拟电极的间距及该第二虚拟电极的宽度之间，具有一特定比例。在实际应用中，第一虚拟电极与第三虚拟电极的间距(Gl)、第一虚拟电极的宽度 (Wl)、第一虚拟电极与第二虚拟电极的间距(G》及第二虚拟电极的宽度(M)之间的特定比例可以是1 5 1 3。此外，光导材料层是由电阻值随光变化的物质构成，光导材料层可以是电荷产生层材料 TiOPc (Titanium Oxide Phthalocyanine)、非晶硅(amorphous silicon, a-Si)或聚合物(polymer)，但不以此为限。接着，在步骤S12中，当该特定光图样发生一变化(例如产生一位移)时，该至少三虚拟电极亦随该变化改变而产生一电渗透力，由此操控一微流体在该流道内的运动状态。也就是说，该微流体操控装置操作方法是采用一光电渗透流机制，通过改变光图样的位置来调整在光导材料层上所形成的该至少三虚拟电极的成形比例，以操控微流体。由此，在不改变电压及频率的条件下，该微流体操控装置操作方法即可轻易地操控微流体中的粒子的运动方向或旋转方向，致使微流体形成趋动、混合、集中、分离及漩涡的运动状态。相较于现有技术中传统的微流体操控装置所采用的电渗透流(Electro-OsmoticFlow, EOF)机制，根据本发明的微流体操控装置及其操作方法采用光电渗透流 (Electro-Osmotic Flow, EOF)的机制，在不改变电压及频率的条件下，通过光图样 (optical pattern)的位置改变来调整在光导材料层上所形成的各虚拟电极的成形比例， 由此操控微流体的各种运动状态。由此，根据本发明的微流体操控装置及其操作方法能够有效提升使用者在操纵上的方便性及灵活性，不必麻烦地去改变各种尺寸的电极的位置或持续改变外加电压及其频率，故可广泛地应用在各种微流体系统中，例如生医晶片、药物试剂混合、细胞或微小粒子操纵等，极具有市场潜力及未来发展性。通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚地描述本发明的特征与精神， 而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。
权利要求
1.一种微流体操纵装置，包含一流道；以及一光导材料层，当具有一特定光图样的一光线射向该光导材料层时，该光导材料层根据该特定光图样形成至少三虚拟电极，其中该至少三虚拟电极包含一第一虚拟电极、一第二虚拟电极及一第三虚拟电极，该第二虚拟电极与该第三虚拟电极位于该第一虚拟电极的两侧，并且在该第一虚拟电极与该第三虚拟电极的间距、该第一虚拟电极的宽度、该第一虚拟电极与该第二虚拟电极的间距及该第二虚拟电极的宽度之间，具有一特定比例；其中，当该特定光图样发生一变化时，该至少三虚拟电极亦随该变化改变而产生一电渗透力，由此操控一微流体在该流道内的运动状态。
2.如权利要求1所述的微流体操纵装置，采用一光电渗透流(Electro-OsmoticFlow, EOF)机制，通过改变光图样的位置来调整在该光导材料层上所形成的该至少三虚拟电极的成形比例，以操控该微流体。
3.如权利要求1所述的微流体操纵装置，其中该第一虚拟电极与该第三虚拟电极的间距(Gl)、该第一虚拟电极的宽度(Wl)、该第一虚拟电极与该第二虚拟电极的间距(G》及该第二虚拟电极的宽度(W2)之间的该特定比例为1:5:1:3。
4.如权利要求1所述的微流体操纵装置，在不改变电压及频率的条件下，该微流体操纵装置操控该微流体中的粒子的运动方向或旋转方向，致使该微流体形成趋动、混合、集中、分离及漩涡的运动状态。
5.如权利要求1所述的微流体操纵装置，其中该光导材料层由电阻值随光变化的物质构成，该光导材料层可为电荷产生层材料TiOPc (TitaniumOxide Phthalocyanine)、非晶硅 (amorphous silicon, a-Si)或聚合物(polymer)。
6.一种微流体操纵装置操作方法，应用于一微流体操纵装置，该微流体操纵装置包含一流道及一光导材料层，该微流体操纵装置操作方法包含下列步骤(a)当具有一特定光图样的一光线射向该光导材料层时，该光导材料层根据该特定光图样形成至少三虚拟电极；以及(b)当该特定光图样发生一变化时，该至少三虚拟电极亦随该变化改变而产生一电渗透力，由此操控一微流体在该流道内的运动状态；其中，该至少三虚拟电极包含一第一虚拟电极、一第二虚拟电极及一第三虚拟电极，该第二虚拟电极与该第三虚拟电极位于该第一虚拟电极的两侧，并且在该第一虚拟电极与该第三虚拟电极的间距、该第一虚拟电极的宽度、该第一虚拟电极与该第二虚拟电极的间距及该第二虚拟电极的宽度之间，具有一特定比例。
7.如权利要求6所述的微流体操纵装置操作方法，采用一光电渗透流 (Electro-Osmotic Flow,EOF)机制，通过改变光图样的位置来调整在该光导材料层上所形成的该至少三虚拟电极的成形比例，以操控该微流体。
8.如权利要求6所述的微流体操纵装置操作方法，其中该第一虚拟电极与该第三虚拟电极的间距(Gl)、该第一虚拟电极的宽度(Wl)、该第一虚拟电极与该第二虚拟电极的间距 (G2)及该第二虚拟电极的宽度(W2)之间的该特定比例为1:5:1:3。
9.如权利要求6所述的微流体操纵装置操作方法，在不改变电压及频率的条件下，该微流体操纵装置操控该微流体中的粒子的运动方向或旋转方向，致使该微流体形成趋动、混合、集中、分离及漩涡的运动状态。
10.如权利要求6所述的微流体操纵装置操作方法，其中该光导材料层由电阻值随光变化的物质构成，该光导材料层可为电荷产生层材料TiOPc (Titanium Oxide Phthalocyanine)、非晶娃(amorphous silicon, a-Si)或聚合物(polymer)。
全文摘要
本发明揭露一种微流体操控装置及其操作方法。微流体操控装置包含光导材料层及流道。当具有特定光图样的光线射向光导材料层时，光导材料层根据特定光图样形成至少三虚拟电极。至少三虚拟电极包含第一虚拟电极及位于第一虚拟电极两侧的第二虚拟电极与第三虚拟电极。第一虚拟电极与第三虚拟电极的间距、第一虚拟电极的宽度、第一虚拟电极与第二虚拟电极的间距以及第二虚拟电极的宽度具有特定比例。当特定光图样发生一变化时，至少三虚拟电极亦随该变化改变而产生一电渗透力，由此操控微流体在流道内的运动状态。
文档编号G01N35/08GK102384980SQ20101026952
公开日2012年3月21日 申请日期2010年8月30日 优先权日2010年8月30日
发明者刘承贤, 周忠诚, 张晃猷, 徐琅, 杨士模, 杨裕雄, 王威 申请人:刘承贤, 张晃猷, 徐琅, 明达医学科技股份有限公司, 杨裕雄