TW201506515A - 介電微粒操控晶片與其製造方法和操控介電微粒的方法 - Google Patents

Abstract

一種介電微粒操控晶片與其製造方法和操控介電微粒的方法。該介電微粒操控晶片包含一晶片本體、間隔設置於該晶片本體中且皆呈指叉狀之一第一電極層與一第二電極層，及一設置固定於該晶片本體並覆蓋該第一電極層與該第二電極層的介電層。且該第一電極層之第一指叉電極部是與該第二電極層之第二指叉電極部彼此間隔地交錯排列分佈。透過於指叉狀第一電極層與第二電極層上方被覆遮蔽一層介電層的設計，使得該介電微粒操控晶片可透過正介電泳力場與交流電滲流力場的相互作用來有效地操控介電微粒。

Description

介電微粒操控晶片與其製造方法和操控介電 微粒的方法

本發明是有關於一種介電泳晶片與介電微粒的操控方法，特別是指一種透過介電泳力與交流電滲流相配合操控介電微粒之操控晶片與介電微粒操控方法。

目前在微流體晶片領域中，進行細胞、微生物、介電粒子等介電微粒之操控技術很多，大致有利用流體流力、磁力、電泳、電動力與介電泳等方法。雖然利用流體流力進行粒子混合較易控制，但所控制的對象是液體的運動，且因介電微粒間仍可能有排斥力存在，所以在利用液體流力傳輸介電微粒、促使介電微粒彼此接觸反應，或者是使介電微粒與螢光物或標定物質均勻混合反應時，微流道中之液體流力所產生的擾動，不一定可驅使介電微粒克服彼此排斥力而接觸，且會因擾動效果差而致使混合效果不佳，或需更長的混和反應時間。因為介電泳力對微粒破壞性低，且可直接操控微粒本身進行運動，所以具有較 佳的操控性，因此是一種很好的微粒操控方法。

另外一種操控微粒的技術是利用交流電滲流，主要是利用非對稱之大、小電極間所產生之非對稱交流電滲流所引起之液體渦流大小差異，使液體合力自小電極往大電極方向流動而傳輸微粒，雖然利用交流電滲流可有效驅使液體帶動微粒流動傳輸，但目前設計時必須考量大、小電極之尺寸的配合，及大、小電極產生之停滯點位置等，且需相當多的電極相配合進行操控，製程技術繁雜。

因此，本發明之目的，即在提供一種方便製作且可利用介電泳力與交流電滲流相配合操控介電微粒的晶片。

本發明之另一目的在於提供一種製作上述晶片的方法。

本發明之再一目的在於提供一種藉由上述晶片進行介電微粒之傳輸、混合與收集的方法。

於是，本發明介電微粒操控晶片，包含一界定出一開口朝上而可容裝介電泳液之反應空間的晶片本體、間隔設置於該晶片本體之一指叉狀第一電極層與一指叉狀第二電極層，及一介電層。該第一電極層與第二電極層是分別位於該反應空間底緣，該第一電極層具有一個第一連接部，及多個分別自該第一連接部往外延伸之第一指叉電極部，該第二電極層具有一第二連接部，及多個分別自該第二連接部往外延伸之第二指叉電極部，該等第一指叉電 極部與該等第二指叉電極部彼此間隔地交錯排列分佈。該介電層是由介電材料構成，並覆蓋遮蔽該第一電極層與該第二電極層地設置固定於該晶片本體。

於是，本發明介電微粒操控晶片之製造方法，包含以下步驟：(a)在一基板上被覆設置相間隔之一指叉狀第一電極層與一指叉狀第二電極層，該第一電極層具有多個相間隔之條狀第一指叉電極部，該第二電極層具有多個相間隔之條狀第二指叉電極部，且該等第一指叉電極部與該等第二指叉電極部是彼此間隔交錯排列分佈；(b)於該基板頂面被覆一層由介電材料構成，且覆蓋該第一電極層與該第二電極層的介電層；及(c)於該基板頂面成型一層與該基板相配合界定出一涵蓋該第一電極層與該第二電極層，並可容裝介電泳液的反應空間的層狀體。

於是，本發明介電微粒之操控方法，適用於以上述介電微粒操控晶片進行介電微粒之操控，並包含以下步驟：(a)將含有介電微粒的介電泳液注入該反應空間；及(b)於該第一電極層與該第二電極層分別施加一交流電，且施加於該第一電極層與該第二電極層之交流電具有180°相位差，使兩相鄰第一指叉電極部與第二指叉電極部相配合於兩者間產生一吸引介電微粒的正介電泳力場，並相配合於其正上方分別產生一驅使介電泳液自其兩長側相向朝內流動，且自其末端往其電連接之該第一連接部與該第二連接部方向流動的交流電滲流力場。

本發明之功效：透過於指叉狀第一電極層與第 二電極層上方被覆遮蔽一層介電層的設計，可藉由該介電層的存在來消減該第一電極層與該第二電極層所產生之正介電泳力場強度，使該第一電極層與該第二電極層相配合產生之交流電滲流力場可相對顯現出來，而可透過正介電泳力場與交流電滲流力場的相互作用來有效地操控介電微粒。

3‧‧‧晶片本體

30‧‧‧反應空間

31‧‧‧基板

32‧‧‧層狀體

4‧‧‧第一電極層

41‧‧‧第一指叉電極部

42‧‧‧第一連接部

5‧‧‧第二電極層

51‧‧‧第二指叉電極部

52‧‧‧第二連接部

520‧‧‧徑向缺口

6‧‧‧介電層

7‧‧‧立體微結構

71‧‧‧上凸部

72‧‧‧下凹部

800~802‧‧‧箭頭

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明介電微粒操控晶片之一第一較佳實施例的立體剖視示意圖；圖2是該第一較佳實施例之俯視示意圖；圖3是該第一較佳實施例之側剖示意圖；圖4是本發明介電微粒操控晶片之製造步驟流程圖；圖5是本發明介電微粒操控方法之步驟流程圖；圖6是該第一較佳實施例之局部俯視示意圖，示意說明於一下凹部上方所產生之交流電滲流力場的作用方向；圖7是類似圖6之視圖，示意說明二相鄰交流電滲流力場驅使介電泳液於一上凸部上方產生渦漩流動的情況；圖8是該第一較佳實施例透過操控模式(1)將biotin修飾之乳膠微粒吸附集中固定的顯微影像；圖9是該第一較佳實施例透過操控模式(2)驅使biotin修飾之乳膠微粒沿該等下凹部移動的顯微影像；圖10是該第一較佳實施例透過操控模式(3)驅使biotin 修飾之乳膠微粒於該等上凸部中央旋轉混合的顯微影像；圖11是該第一較佳實施例透過操控模式(3)驅使biotin修飾之乳膠微粒與streptavidin修飾的螢光粒子產生旋轉混合反應之顯微影像；圖12是該第一較佳實施例透過操控模式(3)驅使金黃色葡萄球菌與螢光抗體產生旋轉混合反應之顯微影像；圖13是該介電微粒操控晶片在無設置該立體微結構情況下，施予弦波交流電時，驅使螢光微粒於相鄰第一指叉電極部與第二指叉電極部間旋轉混合的顯微影像；圖14是該介電微粒操控晶片在無設置該立體微結構情況下，施予方波交流電時，驅使螢光微粒聚集於該等第一指叉電極部正上方與第二指叉電極部正上方旋轉混合的顯微影像；圖15是本發明介電微粒操控晶片之一第二較佳實施例的俯視示意圖；圖16是圖15之局部放大圖，並示意說明交流電滲流力場的作用方向；及圖17是該第二較佳實施例將螢光介電微粒收集濃縮於一第一連接部上方的顯微影像。

如圖1、2、3所示，本發明介電微粒操控晶片的第一較佳實施例，可用以操控介電泳液中之介電微粒的傳輸、混和與收集濃縮。所述介電微粒可以是乳膠(latex)粒子，或者是細胞、細菌與酵母菌等生物微粒，但實施 時，介電微粒不以上述類型為限。

該介電微粒操控晶片包含一晶片本體3，及層疊設置於該晶片本體3之一指叉狀第一電極層4、一指叉狀第二電極層5、一介電層6，及一立體微結構7。該晶片本體3具有一基板31，及一被覆於該基板31頂面並與該基板31相配合界定出一開口朝上之反應空間30的環狀層狀體32，該反應空間30可供注入介電泳液。在本實施例中，該層狀體32是由PDMS製成，但實施時，於該晶片本體3設置開口朝上之該反應空間30的方式眾多，也非本發明創作重點，因此不再詳述，且不以上述類型為限。

必須說明的是，由於該反應空間30、該第一電極層4、該第二電極層5、該介電層6與該立體微結構7之結構都相當微小，為方便了解，圖式中之各構件比例皆為原結構之放大示意圖，實施時，該等構件大小不以圖式所示比例為限。

該第一電極層4與該第二電極層5是透過微機電製程被覆固定於該基板31頂面，而位於該反應空間30底緣。該第一電極層4具有多個左右延伸且前後間隔平行之條狀第一指叉電極部41，及一前後延伸地電連接於該等第一指叉電極部41左端間之條狀第一連接部42。該第二電極層5結構是與該第一電極層4呈左右對稱狀，具有多個前後間隔且左右延伸之條狀第二指叉電極部51，及一電連接於該等第二指叉電極部51右端間之第二連接部52，該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51是彼此平行 地前後間隔交錯排列分布。

該介電層6是覆蓋遮蔽該第一電極層4與該第二電極層5地被覆固定於該基板31頂面，而位於該第一電極層4與該第二電極層5上方，使該第一電極層4與該第二電極層5無法與該反應空間30內之介電泳液接觸。

在本實施例中，該介電層6是由介電材料製成，例如光阻或矽氧化物等，本實施例是以SU-8光阻為例，但實施時，所述介電材料不以上述種類為限。

該立體微結構7是覆蓋遮蔽該介電層6地疊置於該介電層6上方，且斷面是呈連續上下起伏之波浪狀。該立體微結構7具有分別沿該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51長向左右延伸的多個條狀上凸部71與多個條狀下凹部72，該等上凸部71是呈波峰狀，而分別位於兩相鄰第一指叉電極部41與第二指叉電極部51間的間隙上方，該等下凹部72是呈波谷狀，而分別位於該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51的正上方。

在本實施例中，該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51寬度為50 μm，相鄰第一指叉電極部41與第二指叉電極部51之間距為30 μm，該介電層6厚度為2 mm，該立體微結構7之該等上凸部71高度為12 mm，該等下凹部72高度為2 mm。但實施時，該第一電極層4、該第二電極層5、該介電層6與該立體微結構7尺寸皆不以此為限。

如圖1、3、4所示，該介電微粒操控晶片的製 造方法包含以下步驟：

步驟(一)於該基板31上被覆固定該第一電極層4與該第二電極層5。透過微機電製程將導電材料被覆固定於該基板31頂面，以形成該第一電極層4和該第二電極層5。在本實施例中，該第一電極層4與該第二電極層5材料為ITO(Indium Tin Oxide)，但實施時不以此為限。由於以微機電製程製作該第一電極層4與該第二電極層5為習知技術，且非本發明創作重點，因此不再詳述。

步驟(二)成型該介電層6。將介電材料塗佈於該基板31頂面而覆蓋遮蔽該第一電極層4與該第二電極層5，僅使一小段第一連接部42與一小段第二連接部52外露以供導接電訊號。在本實施例中，該介電材料為SU-8光阻，是將SU-8以光阻顯影液稀釋後，再塗佈於該基板31頂面，待其乾燥定型。

步驟(三)成型該立體微結構7，包含以下子步驟：

步驟(3-1)將感光硬化材料塗佈被覆於該介電層6頂面，而對應位於該第一電極層4與該第二電極層5上方。

步驟(3-2)施加交流電於該第一電極層4與該第二電極層5以誘使該感光硬化材料變形產生一立體微結構。透過該第一連接部42與該第二連接部52分別於該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51施加一交流電，利用該等第一指叉電極部41和該等第二指叉電極部51 相配合所構成的非均勻電場分布，將該感光硬化材料吸引向該等第一指叉電極部41和該等第二指叉電極部51的邊緣最強電場處，進而於兩相鄰第一指叉電極部41與第二指叉電極部51上方集中形成一相對高起之波峰狀上凸部71，而相對於該等第一指叉電極部41和該等第二指叉電極部51之正上方形成一相對低下之波谷狀下凹部72，進而於該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51間形成一斷面呈前後連續高低起波浪伏之立體微結構7。

在本實施例中，在本實例中，該立體微結構7使用之感光硬化材料為紫外線固化膠(UV膠)，且施加於該第一電極層4與該第二電極層5之交流電為方波800 Vpp，30 kHz，且兩交流電具有180°相位差，且施加之之電壓越大，感光介電材料之形變量越大，也就是該等上凸部71越高，所以同樣可透過調變施加之交流電的波形、電壓及/或頻率來調整產生之該立體微結構7之高低起伏外形，不以上述交流電條件為限。但實施時，該感光硬化材料也可以其它感光硬化性質的介電材料取代，例如紅外光硬化膠或鹵素光硬化膠等，而施加於該第一電極層4與第二電極層5之交流電條件可對應調整。

步驟(3-3)使立體微結構7感光硬化成型。在持續對該第一電極層4與該第二電極層5施加交流電的情況下，對該立體微結構7照射UV光，使其感光硬化定型。

步驟(四)於該基板31上成型一層環狀的層狀體32。以PDMS於該基板31頂面成型一環繞該立體微結構7 之層狀體32，使該層狀體32與該基板31相配合界定出一開口朝上且涵蓋該立體微結構7之反應空間30。由於該在該基板31上成型一反應空間30的方式眾多，且非本發明之創作重點，因此實施時不以上述方式為限。

如圖1、3、5所示，當要以本發明介電微粒操控晶片進行介電微粒之操控時，例如兩種介電微粒之混合、介電微粒與介電泳液之混合，或者是介電微粒之傳輸與收集濃縮等，包含以下步驟：

步驟(一)將含有介電微粒之介電泳液添加於該反應空間30中。可根據所要進行之介電微粒操控目的，選擇將兩種要進行混合反應之介電微粒添加於介電泳液後一起加入該反應空間30，或將一種介電微粒與含有要與該介電微粒混合反應之試劑一起加入該反應空間30，或者是將含有要收集濃縮之介電微粒之檢體加入該反應空間30中，但實施時，置入該反應空間30以供進行操控之介電微粒的類型不以上述態樣為限。

步驟(二)於該第一電極層4與該第二電極層5分別施加一交流電，而開始操控介電微粒。

在本發明中，是利用於該第一電極層4與該第二電極層5分別施加一交流電，並使施加於該第一電極層4與該第二電極層5的交流電具有180°相位差的方式，來驅使該等第一指叉電極部41和該等第二指叉電極部51相配合於該等波峰狀上凸部71上方產生一正介電泳力場，並相配合分別於該等波谷狀下凹部72上方分別產生一交流電滲 流力場。

由於該等第一指叉電極部41和第二指叉電極部51是呈前後交錯間隔排列狀，以下就以其中一第一指叉電極部41在其上方之下凹部72所產生之交流電滲流力場為例做說明。

該第一指叉電極部41前後兩相鄰側皆會有一第二指叉電極部51，且該第一指叉電極部41末端是鄰近該第二連接部52，所以該第一指叉電極部41是被兩個第二指叉電極部51與該第二連接部52所包圍，因此，該第一指叉電極部41於其上方下凹部72所產生之該交流電滲流力場，會具有來自該下凹部72前後兩側之該等上凸部71的前後相向作用力，以及自該第一指叉電極部41末端朝左往該第一連接部42方向的作用力，如圖6箭頭800所示，進而使得該交流電滲流力場的淨力作用會驅使下凹部72上方之介電泳液朝左往該第一連接部42方向流動，如圖6箭頭801所示。同理，產生於每一第二指叉電極部51上方之下凹部72的交流電滲流力場，會驅使介電泳液往右朝該第二連接部52方向流動。也就是說，當交流電滲流力場驅動介電泳液流動時，每一波峰狀上凸部71前後兩相鄰側之該等波谷狀下凹部72的介電泳液流動方向是呈左右反向狀，所以介電粒子被帶動位移的方向也相反。

由於所施加之交流電的訊號波形、頻率及/或電壓大小等參數改變時，該等正介電泳力場與該等交流電滲流力場大小也會對應改變，所以可透過調變交流電的訊號 波形、頻率及/或電壓大小等參數，進而操控介電微粒之移動模式與介電泳液之流動模式，而達到所需之操控目的。

其中，交流電之訊號波形的改變會影響交流電之方均根電壓(Vrms)大小，此Vrms的大小會直接影響該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51所產生之正介電泳力場和交流電滲流力場的大小。在相同Vpp與頻率的交流電條件下，方波：弦波：三角波的Vrms比例為6：3：2，所以弦波交流電要產生與方波交流電相同之正介電泳力場和交流電滲流力場大小時，弦波之電壓(Vpp)至少要為方波交流電的兩倍以上。而改變交流電頻率，則會影響正介電泳力場和交流電滲流力場的相對大小，在施加方波交流電情況下，所產生正介電用力會強大到需要將方波交流電頻率降低至10 kHz以下，該交流電滲流力場才會相對呈現出來。

透過調變施加之交流電波形、頻率及/或電壓，而調控正介電泳力場與交流電滲流力場相對大小的方式，會產生以下幾種介電微粒操控模式，且該等操控模式可交替實施，以達到所需之操控目的：

操控模式(1)：利用正介電泳力場將介電粒子吸附固定。當使該等正介電泳力場遠大於該等交流電滲流力場，且足以吸住介電微粒時，也就是交流電滲流力場非常微弱或幾乎不存在時，由於該等正介電泳力場最強的區域是位在該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51的末端，所以該等介電微粒會分別被吸引集中並固定於 該等下凹部72對應位於該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51的末端處。

配合參閱圖6，操控模式(2)：利用交流電滲流力場操控介電泳液流動而帶動介電微粒移動，以收集介電微粒。當交流電滲流力場足以克服正介電泳力場之吸引力時，可透過正介電泳力場將散佈於該反應空間30內之介電微粒往下吸引至該立體微結構7頂面處，該等下凹部72之交流電滲流力場會驅使其前後兩側之介電泳液帶動介電粒子往其正上方流動，並往其下方第一指叉電極部41或第二指叉電極部51所電連接之第一連接部42或第二連接部52方向流動，進而可透過介電泳液的流動帶動介電粒子移動至該等第一連接部42和第二連接部52上方集中。

配合參閱圖7，操控模式(3)：利用正介電泳力場與交流介電泳力場的交互作用，驅使介電泳液產生渦漩流動，而帶動介電微粒聚集並產生旋轉混合現象。藉由使該等正介電泳力場與該等交流電滲流力場都明顯產生，利用正介電泳力場將該等介電微粒分別吸引至該等波峰狀上凸部71上方，但並未將該等介電微粒吸住定位。同時利用每一上凸部71前後相鄰兩側之下凹部72的交流電滲流力場分別帶動介電泳液往左流動與往右反相流動。

反向作用之兩相鄰交流電滲流力場會在該上凸部71的中央區域形成一力量平衡點，並驅使於該力量平衡點處的介電泳液產生一最大渦漩流動，如箭頭802所示，藉此將該上凸部71上方的介電微粒帶往該中央區域集中並 產生旋轉位移的混合現象，可快速而有效地促使介電微粒與介電泳液產生混合反應，例如使介電微粒與介電泳液中的螢光試劑結合等。

以下就以本發明介電微粒操控晶片與操控方法實際操控介電微粒之實驗例進行說明。

實驗例(一)介電微粒之傳輸集中。

所使用之介電微粒為表面修飾有biotin(生物素)之乳膠(latex)微粒，乳膠微粒粒徑為4 μm，並以300 mM的蔗糖水溶液(sucrose)(導電度為5 S/cm)作為介電泳液，將修飾有biotin之乳膠微粒調配成濃度為107 particle/ml，並將乳膠微粒樣品40 μl注入該反應空間30。

如圖8所示，先於該第一電極層4與該第二電極層5施予弦波交流電(120 Vpp，100 kHz)，利用上述操控模式(1)的現象，將biotin修飾之乳膠微粒分別吸附集中固定於該等上凸部71位於該等第一指叉電極部41和第二指叉電極部51的末端上方的部位。

然後，調降弦波交流電之頻率(120 Vpp，5 kHz)，使正介電泳力場降低，而交流電滲流力場相對增大，透過上述操控模式(2)驅動修飾有biotin之乳膠微粒，藉由該等下凹部72上方之交流電滲流力場所驅動之介電泳液流動，將介電微粒分別帶到該等下凹部72上方，並沿該等下凹部72長度方向移動至左右兩側之第一連接部42與第二連接部52上方區域集中，如圖9所示。

接著，將施加之交流電波形改為方波，在施予 方波交流電(120 Vpp，100 kHz)的情況下，正介電泳力場會遠大於交流電滲流力場，會產生上述操控模式(1)的情況，修飾有biotin的乳膠微粒會全部吸附集中固定於該等上凸部71位於該等第一指叉電極部41和第二指叉電極部51的末端上方的部位。

但是當將方波交流電頻率調降至3kHz時，產生之正介電泳力場會降低，而交流電滲流力場會明顯變大，而會產生上述操控模式(3)的操控現象，乳膠微粒會被集中於該等上凸部71中央區域處旋轉混合，如圖10所示。

實驗例(二)兩種不同介電微粒之混合反應。

改以上述乳膠微粒樣品20μl，及含有streptavidin修飾的螢光粒子(粒徑0.1 mm)樣品20μl同時加入該反應空間30中，以上述操控模式(3)的操控現象進行混合試驗。含有streptavidin修飾的螢光粒子(粒徑0.1 mm)樣品是以300 mM蔗糖水溶液作為介電泳液，而配置成107 particle/ml的濃度。

在施加方波交流電(120 Vpp，3kHz)時，乳膠微粒會被集中於該等上凸部71中央區域處旋轉，而與溶液中之螢光粒子混合反應，可在很短時間(5 min)內就獲得足以辨識之螢光強度，如圖11所示。

實驗例(三)對生物性介電微粒進行螢光標定。

如圖12所示，本實驗例是直接以生物性介電微粒之操控進行說明，所使用之生物性介電微粒為金黃色葡 萄球菌(寄存編號BCRC14957)，粒徑約為1 μm，參與混合反應之物質為標記上螢光的anti-protein A(IgG)20 g/ml，並以300 mM的蔗糖水溶液(sucrose)(導電度為5 S/cm)作為介電泳液，將金黃色葡萄球菌配製成濃度為109 particle/ml。取20 μl金黃色葡萄球菌樣本與2.5 ml的IgG抗體樣本同時加入該反應空間30中，並給予方波交流電(120 Vpp，3 kHz)，藉由上述操控模式(3)驅使金黃色葡萄球菌與Anti-protein A(IgG)混合反應鍵結，並可在5 min內產生足以辨識的螢光強度，因此，可見本方法對於生物微粒的混合操控同樣具有速度快且效率佳的優點。

根據上述各實驗例可知，透過在指叉狀第一電極層4與第二電極層5上方覆蓋一層介電層6，再於該介電層6上覆蓋一層連續高低起伏狀的立體微結構7設計，可有效利用該介電層6與該立體微結構7降低該第一電極層4與該第二電極層5產生之正介電泳力場的強度，降低介電微粒被直接吸附固定的現象，而可方便配合該第一電極層4與該第二電極層5所產生之交流電滲流力場來操控微粒移動。並可進一步配合該立體微結構7之該等上凸部71與下凹部72的結構設計，使本發明介電微粒操控晶片可進一步透過調變施加之交流電波形、頻率及/或電壓大小的方式，調變該第一電極層4與該第二電極層5相配合產生之正介電泳力場與交流電滲流力場的相對大小，進而可產生不同的操控模式，且可方便根據使用需求切換操控模式，是一種整合介電泳與交流電滲流操控模式的全新介電微粒操控 方法與晶片結構設計。

但實施時，不以設置該立體微結構7為必要，可藉由調變施加於該第一電極層4與該第二電極層5的交流電波形、頻率與電壓的方式，來調控位該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51所產生之正介電泳力場與交流電滲流力場的相對大小關係，同樣也可產生上述三種操控模式之功效。

如圖13、14所示，在沒有使用立體微結構情況下，在施予弦波(120 Vpp，30 kHz)情況下，同樣可藉由正介電泳力場與交流電滲流力場作用，來驅使粒徑1 mm螢光粒子在該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51間進行打轉。且當將施予之交流電改成方波(120 Vpp，3 kHz)時，1 mm螢光粒子會被驅動移至該等第一指叉電極部41正上方與該等第二指叉電極部51正上方聚集並旋轉混合。

如圖15、16所示，本發明介電微粒操控晶片之第二較佳實施例與該第一較佳實施例差異處在於：本實施例未設置該立體微結構，且該第一電極層4、該第二電極層5與該介電層6之結構設計不同於第一較佳實施例。為方便說明，以下僅就本實施例與該第一較佳實施例差異處進行描述。

在本實施例中，該第一電極層4與該第二電極層5是設計成徑向內外間隔狀，第一電極層4具有一圓形第一連接部42，及多個呈輻射狀分佈地自該第一連接部42 徑向往外延伸之第一指叉電極部41。該第二電極層5具有一間隔環繞於該第一電極層4外圍之環狀第二連接部52，及多個呈輻射狀分佈地自該第二連接部52內緣徑向往內朝該第一連接部42突伸之第二指叉電極部51，且該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51是呈彼此間隔交錯排列分佈狀。該第二連接部52具有一徑向貫穿之徑向缺口520，該等第一指叉電極部41寬度是呈徑向往外等寬狀，該等第二指叉電極部51是呈徑向往內逐漸窄縮狀，而使得該等相鄰之第一指叉電極部41與第二指叉電極部51間是呈等距間隔狀，且其中一第一指叉電極部41是徑向往外延伸通過該徑向缺口520。

在本實施例中，該第一連接部42直徑為800 μm，該等第一指叉電極部41自該第一連接部42周緣往外延伸之長度為1.1 mm，寬度為60 μm，第二連接部52半徑為1.7 mm，兩相鄰第一指叉電極部41與第二指叉電極部51間距為30 μm，而該等第一指叉電極部41與該第二連接部52間距為100 μm，該等第二指叉電極部51與該第一連接部42間距為300 μm。

本實施例介電粒子操控晶片使用時，可藉由第一實施例之操控模式(2)的操控方式，來收集樣品中之特定介電微粒。以下就以一個實驗例說明本實施例之使用方式。

實驗例(四)收集濃縮螢光介電微粒。

所採用之螢光介電微粒為FluoSpheres® Polystyrene Microspheres(粒徑為1.0 μm)，Orange Fluorescent(540/560)，濃度為1.0x107 beads/mL。將螢光介電微粒樣品注入該反應空間30後，於該第一電極層4與該第二電極層5分別施加一弦波交流電(120 Vpp，5kHz)，兩弦波交流電具有180°相位差，在此弦波交流電之電壓與頻率條件下，位於該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51之正上方的交流電滲流力場所驅動之介電泳液流動，會帶動介電粒子分別往第一連接部42和該第二連接部52方向位移，且因該等第一指叉電極部41與該第二連接部52的間距小於該等第二指叉電極部51和該第一連接部42之間距，所以沿該等第一指叉電極部41徑向往內之交流電滲流力場會相對大於沿該等第二指叉電極部51徑向往外的交流電滲流力場，所以該等第一指叉電極部41上方的介電泳液流力會相對較大，而將大部分螢光介電微粒自四面八方徑向往內帶往該第一連接部42上方集中濃縮。

在施加交流電60秒鐘後，就可在該第一連接部42上方得到足以判讀辨識之螢光強度，如圖17所示。顯示即便可在介電微粒含量極低的情況下，本發明仍可快速地將四散分佈於檢體中的介電微粒收集濃縮在一固定區域，可大幅提高所能適用之介電微粒濃度極限，並具有極佳靈敏度。由於細胞、細菌、真菌等生物微粒皆為可透過介電泳力操控之常見介電微粒，因此本方法也可應用於檢體中之生物微粒的收集濃縮。

且實施時，可進一步藉由此環狀與輻射狀結構 設計之第一電極層4與第二電極層5，透過延長該等第一指叉電極部41與該等第二指叉電極部51長度的方式，來擴大介電微粒的收集範圍，就可用以進行大範圍之介電微粒的收集濃縮，是一種全新的介電微粒收集濃縮設計。

必須說明的是，本實施例除了單純使用介電層6以外，實施時，亦可於該介電層6上另外成型出該連續起伏狀的立體微結構(圖未示)，使該等波峰狀上凸部對應位於兩相鄰第一指叉電極部41與第二指叉電極部51間的間隙上方，而使該等波谷狀下凹部分別位於該等第一指叉電極部41正上方與該等第二指叉電極部51正上方，可更進一步削弱正介電泳力場強度，而可更方便地透過正介電泳力場與交流電滲流力場的調變來執行上述各種操控模式。

綜上所述，透過於指叉狀第一電極層4與第二電極層5上方被覆遮蔽一層介電層6，並於該介電層6上被覆一層立體微結構7的設計，可藉由該介電層6與該立體微結構7的存在來消減該第一電極層4與該第二電極層5所產生之正介電泳力場強度，使該第一電極層4與該第二電極層5相配合產生之交流電滲流力場可相對顯現出來，而可透過正介電泳力場與交流電滲流力場的相互作用來有效地操控介電微粒，例如收集濃縮介電泳液中的微量介電微粒。更可進一步將該立體微結構7的高低起伏之立體微結構設計，以及透過調變施加之交流電的波形、頻率及/或電壓的方式，調控該第一電極層4與該第二電極層5所產生之正介電泳力場與交流電滲流力場的相對大小關係，使 本發明介電微粒操控晶片除了可用以傳輸介電微粒外，還具有加速混合介電微粒的功用，可用於兩種不同介電微粒的混合反應，及介電微粒與介電泳液中之其它物質的混合反應等，可在很短的時間達到所需的混合效果，而具有極佳的混合效率。因此本發明介電微粒操控晶片可進一步結合其它檢測設備，而可廣泛應用於食品、環境與醫學領域的生物微粒或其它介電微粒的檢測分析，相當方便實用，因此確實可達到本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

3‧‧‧晶片本體

30‧‧‧反應空間

31‧‧‧基板

32‧‧‧層狀體

4‧‧‧第一電極層

41‧‧‧第一指叉電極部

42‧‧‧第一連接部

5‧‧‧第二電極層

51‧‧‧第二指叉電極部

52‧‧‧第二連接部

7‧‧‧立體微結構

71‧‧‧上凸部

72‧‧‧下凹部

Claims (22)

1. 一種微粒操控晶片之製造方法，包含以下步驟：(a)在一基板上被覆設置相間隔之一指叉狀第一電極層與一指叉狀第二電極層，該第一電極層具有多個相間隔之條狀第一指叉電極部，該第二電極層具有多個相間隔之條狀第二指叉電極部，且該等第一指叉電極部與該等第二指叉電極部是彼此間隔交錯排列分佈；(b)於該基板頂面被覆一層由介電材料構成，且覆蓋該第一電極層與該第二電極層的介電層；及(c)於該基板頂面成型一層與該基板相配合界定出一涵蓋該第一電極層與該第二電極層，並可容裝介電泳液的反應空間的層狀體。
2. 如請求項1所述的微粒操控晶片之製造方法，還包含一步驟(d)於該介電層頂面被覆成型一斷面呈連續上下起伏狀的立體微結構，該立體微結構具有多個分別沿該等第一指叉電極部和該等第二指叉電極部長向延伸之上凸部與下凹部，該等上凸部是呈波峰狀，且分別位於兩相鄰第一指叉電極部和第二指叉電極部間的間隙上方，該等下凹部是呈波谷狀，且分別位於該等第一指叉電極部上方和該等第二指叉電極部的上方。
3. 如請求項2所述的微粒操控晶片之製造方法，其中，步驟(d)包括以下步驟：(d1)在該介電層頂面被覆一感光硬化材料；(d2)分別於該第一電極層與該第二電極層施加一交流電，利用該等交錯排列之第一指叉電極部 與第二指叉電極部間的非均勻電場分佈，誘使該感光硬化材料往電場強度較強之該等第一指叉電極部與該等第二指叉電極部之邊緣區域上方集中，而於該介電層頂面形成該立體微結構；及(d3)在對該第一電極層與該第二電極層施加交流電情況下，使該該立體微結構感光硬化定型。
4. 如請求項1、2或3所述的微粒操控晶片之製造方法，其中，步驟(a)之該第一電極層還具有一第一連接部，該第二電極層還具有一第二連接部，該等第一指叉電極部是分別自該第一連接部朝該第二連接部方向延伸靠近，該等第二指叉電極部是分別自該第二連接部朝該第一連接部方向延伸靠近，且該等第一指叉電極部和該等第二指叉電極部是彼此間隔平行地交錯排列。
5. 如請求項1、2或3所述的微粒操控晶片之製造方法，其中，步驟(a)之該第一電極層與該第二電極層是呈徑向內外間隔狀，該第一電極層還具有一第一連接部，該第二電極層還具有一間隔環繞該第一連接部之第二連接部，該等第一指叉電極部是呈輻射狀分佈地自該第一連接部徑向往外朝該第二連接部突伸靠近，該等第二指叉電極部是呈輻射狀分佈地自該第二連接部徑向往內朝該第一連接部延伸。
6. 如請求項5所述的微粒操控晶片之製造方法，其中，該第二連接部具有一徑向缺口，且其中一第一指叉電極部是徑向往外延伸通過該徑向缺口。
7. 如請求項5所述的微粒操控晶片之製造方法，其中，步驟(a)該等第二指叉電極部的寬度是呈徑向往內逐漸窄縮，而分別與相鄰之該等第一指叉電極部保持相同間距。
8. 如請求項5所述的微粒操控晶片之製造方法，其中，步驟(a)該等第二指叉電極部末端與該第一連接部之間距大於該等第一指叉電極部末端與該第二連接部的間距。
9. 如請求項1所述的微粒操控晶片之製造方法，其中，步驟(b)構成該介電層之該介電材料為光阻或矽氧化物。
10. 如請求項3所述的微粒操控晶片之製造方法，其中，該感光硬化材料是選自於紫外光硬化膠、紅外光硬化膠或鹵素光硬化膠。
11. 一種微粒操控晶片，包含：一晶片本體，界定出一開口朝上而可用以容裝介電泳液之反應空間；一指叉狀第一電極層與一指叉狀第二電極層，間隔設置於該晶片本體，而分別位於該反應空間底緣，該第一電極層具有一個第一連接部，及多個分別自該第一連接部往外延伸之第一指叉電極部，該第二電極層具有一第二連接部，及多個分別自該第二連接部往外延伸之第二指叉電極部，該等第一指叉電極部與該等第二指叉電極部彼此間隔地交錯排列分佈；及 一介電層，由介電材料構成，並覆蓋遮蔽該第一電極層與該第二電極層地設置固定於該晶片本體。
12. 如請求項11所述的微粒操控晶片，還包含一覆蓋於該介電層頂面而位於該第一電極層與該第二電極層上方之立體微結構，該立體微結構斷面是呈連續上下起伏狀，具有沿該等第一指叉電極部與該等第二指叉電極部長向延伸之多個上凸部與多個下凹部，該等上凸部是呈波峰狀，且分別位於兩相鄰第一指叉電極部與第二指叉電極部間的間隙上方，而該等下凹部是呈波谷狀，且分別位於該等第一指叉電極部正上方與該等第二指叉電極部正上方。
13. 如請求項11或12所述的微粒操控晶片，其中，該等第一指叉電極部與該等第二指叉電極部是彼此間隔平行地交錯排列分佈。
14. 如請求項11或12所述的微粒操控晶片，其中，該第一電極層與該第二電極層是呈徑向內外間隔狀，該第二連接部是呈環狀，且間隔環繞於該第一連接部徑向外側，該等第一指叉電極部是呈輻射狀分佈地分別自該第一連接部徑向往外朝該第二連接部突伸，該等第二指叉電極部是呈輻射狀分佈地分別自該第二連接部徑向往內朝該第一連接部突伸。
15. 如請求項14所述的微粒操控晶片，其中，該第二連接部具有一徑向缺口，且其中一第一指叉電極部是徑向往外延伸通過該徑向缺口。
16. 如請求項14所述的微粒操控晶片，其中，該等第二指叉電極部之寬度是呈徑向往內逐漸窄縮狀，而分別與相鄰之該等第一指叉電極部保持相同間距。
17. 如請求項14所述的微粒操控晶片，其中，該等第二指叉電極部末端與該第一連接部的間距大於該等第一指叉電極部末端與該第二連接部的間距。
18. 如請求項11所述的介電微粒操控晶片，其中，構成該介電層之介電材料是選自於光阻或矽氧化物。
19. 如請求項12所述的介電微粒操控晶片，其中，構成該立體微結構是由感光硬化材料構成，所述感光硬化材料是選自於紫外光硬化膠、紅外光硬化膠或鹵素光硬化膠。
20. 一種介電微粒之操控方法，適用於以請求項11~19任一項所述之介電微粒操控晶片進行介電微粒之操控，並包含以下步驟：(a)將含有介電微粒的介電泳液注入該反應空間；及(b)於該第一電極層與該第二電極層分別施加一交流電，且施加於該第一電極層與該第二電極層之交流電具有180°相位差，使兩相鄰第一指叉電極部與第二指叉電極部相配合於兩者間產生一吸引介電微粒的正介電泳力場，並相配合於其正上方分別產生一驅使介電泳液自其兩長側相向朝內流動，且自其末端往其電連接之該第一連接部與該第二連接部方向流動的交流電滲流力 場。
21. 如請求項20所述的介電微粒之操控方法，其中，步驟(b)是使該等正介電泳力場小於該等交流電滲流力場，使該等介電粒子分別受鄰近之交流電滲流力場所驅動之介電泳液的帶動，而位移至該等第一指叉電極部和該等第二指叉電極部正上方，並沿該等第一指叉電極部與該等第二指叉電極部長向分別地往該第一連接部和該第二連接部方向位移集中。
22. 如請求項20所述的介電微粒之操控方法，其中，步驟(b)是以該等正介電泳力場將該等介電微粒分別吸引至兩相鄰之第一指叉電極部與第二指叉電極部的間隙上方，並以產生於兩相鄰第一指叉電極部與第二指叉電極部正上方且作用方向相反之兩交流電滲流力場所驅動之介電泳液的相對流動，於兩相鄰第一指叉電極部與第二指叉電極部之間隙上方產生渦漩流動，而帶動位於兩相鄰第一指叉電極部與第二指叉電極部之間隙上方之該等介電微粒往該介電泳液渦漩流動處集中並旋轉位移。