目錄 Abstract I 中文摘要 III 誌謝 IV 目錄 VI 圖目錄 IX 表目錄 XIV 第一章 緒論 1 1.1前言 1 1.2 研究背景 2 1.2.1 微機電系統與實驗室晶片 2 1.2.2 細菌特性 3 1.2.2.1 大腸桿菌 4 1.2.2.2 金黃葡萄球菌 4 1.2.3 模式生物 5 1.2.4 分選系統 6 1.3 研究動機 9 1.4 文獻回顧 10 1.4.1 液體混合技術 10 1.4.2 細胞集中排列排列技術 11 1.4.2.1 微型晶片結構使細胞集中排列排列 12 1.4.2.2 介電泳力使細胞集中排列排列 14 1.4.3微型晶片分選 16 1.4.3.1 外部標籤細胞分選 16 1.4.3.2 無外部標記細胞分選 18 第二章 系統理論與晶片設計 21 2.1 系統理論 21 2.1.1 介電泳 21 2.1.1.1 介電泳極化機制 21 2.1.1.2 介電泳作用機制 24 2.1.2 CM factor 27 2.1.3 光電鑷夾 28 2.1.4 微流體分析 28 2.1.5 二次流 30 2.2 設計概念 32 2.2.1 微流道結構設計 33 2.2.2 電極設計 39 第三章 晶片製程 41 3.1 晶片製作流程 41 3.1.1 微流道結構母模製程 41 3.1.2 電極結構製程 42 3.1.3微流道晶片製程 43 3.2 製程結果 45 第四章 實驗結果與討論 47 4.1 實驗準備流程 47 4.1.1 DEP 緩衝液調配 48 4.1.1.1 酸鹼度測定計(pH meter) 48 4.1.2 DEP 緩衝液置換 49 4.2 實驗儀器架設 50 4.3 實驗結果 52 4.3.1 混合區測試 52 4.3.2 集中排列區 56 4.3.3分選區 60 第五章 結論 63 參考文獻 64Abstract 1 中文摘要 3 目錄 4 圖目錄 6 第一章 緒論 11 1.1前言 11 1.2 研究背景 12 1.2.1 微機電系統與實驗室晶片 12 1.2.2 細菌特性 13 1.2.2.1 大腸桿菌 14 1.2.2.2 金黃葡萄球菌 14 1.2.3 模式生物 15 1.2.4 分選系統 16 1.3 研究動機 19 1.4 文獻回顧 20 1.4.1 液體混合技術 20 1.4.2 細胞集中排列排列技術 21 1.4.2.1 微型晶片結構使細胞集中排列排列 22 1.4.2.2 介電泳力使細胞集中排列排列 24 1.4.3微型晶片分選 26 1.4.3.1 外部標籤細胞分選 26 1.4.3.2 無外部標記細胞分選 28 第二章 系統理論與晶片設計 31 2.1 系統理論 31 2.1.1 介電泳 31 2.1.1.1 介電泳極化機制 31 2.1.1.2 介電泳作用機制 34 2.1.2 CM factor 37 2.1.3 光電鑷夾 38 2.1.4 微流體分析 38 2.1.5 二次流 40 2.2 設計概念 42 2.2.1 微流道結構設計 43 2.2.2 電極設計 49 第三章 晶片製程 51 3.1 晶片製作流程 51 3.1.1 微流道結構母模製程 51 3.1.2 電極結構製程 52 3.1.3微流道晶片製程 53 3.2 製程結果 55 第四章 實驗結果與討論 57 4.1 實驗準備流程 57 4.1.1 DEP buffer調配 58 4.1.1.1 酸鹼度測定計(pH meter) 58 4.1.2 DEP buffer置換 59 4.2 實驗儀器架設 60 4.3 實驗結果 62 4.3.1 混合區測試 62 4.3.2 集中排列區 66 4.3.3分選區 70 第五章 結論 73 第六章 參考文獻 74 圖目錄 圖 1-1 典型的細菌生長曲線。[2] 3 圖 1-2 (a) 大腸桿菌。(b) 金黃葡萄球菌。[4, 6] 4 圖 1-3 離心機。[9] 7 圖 1-4 流式細胞儀 (Fluorescence Activated Cell Sorter，FACS)。[11] 7 圖 1-5 螢光激發細胞分選儀示意圖。[13] 8 圖 1-6 交錯的人字凹槽混合結構。 (A) 一個半週期的人字凹槽混合結構示意圖。 (B)用共焦顯微鏡拍攝(A) 顯示一開始、半個週期以及一個週期的微流道垂直截面之螢光分布圖。[14] 11 圖1-7 利用兩側流體壓力使主要流體可聚焦之設計。 (Pi=5psi；∝=1.1； Wc=10μm)。[16] 12 圖 1-8 液體聚焦流動之共焦掃描顯微鏡圖像 (a) ∝=0.5，(b) ∝=1.0，(c) ∝=1.1，(d) ∝=1.2。主要流入流道的壓力值為定值: Pi=5psi。[16] 13 圖 1-9 流道與電路的等效模擬圖 (A) 液體流動聚焦的示意圖 (B) 用於設計和分析聚焦流體的模擬電路圖。[17] 13 圖 1-10 V型鞘流產生器。主流體被兩側鞘流夾於流道中間而產生流體聚焦。[21] 13 圖 1-11 用3-D聚焦之工作原理示意圖 (A) 俯視圖 (B) 側視圖。藉由流體動力與介電泳力使細胞/粒子聚焦於流道中間流動。[18] 15 圖 1-12 (a)詳細示意聚焦功能的微型晶片圖。中心流到的電極材料為金，電極間的間隙為10μm，長為5mm。 (b)微型晶片圖，此為安裝於顯微鏡的載物台上，利於觀察粒子的移動情況。[19] 15 圖 1-13 利用兩個平面電極產生的正介電泳力示意圖。[20] 16 圖 1-14 藉由iDMACS分選多個目標細菌細胞，(A) iDMACS分成三個步驟: Step A、 Step B、Step C。 (B) iDMACS架構，可收集不同的細胞。[22] 17 圖 1-15 微型濾波器設計。 (a)堰式型過濾器。 (b)支柱型過濾器。 (c)交叉流型過濾器。[23] 18 圖 1-16 用負介電泳力分離活的與經過熱處理的 Listeria innocua細胞，給予電壓1V、頻率10Hz，綠色的為活的細胞；紅色的為經過熱處理而死的細胞。[24] 19 圖 1-17 光電鑷夾系統圖。[25] 20 圖 2-1 均勻電場下，微粒子被極化之示意圖(E為電場方向) 23 圖 2-2 均勻電場下，兩電荷受電場影響產生力矩之示意圖(τ為力矩) 23 圖 2-3 粒子在均勻電場中，粒子與溶液不同介電係數的比較情形 (a) 粒子的介電係數大於溶液的介電係數 (b)粒子的介電係數小於溶液的介電係數。在均勻電場中，粒子與溶液的介電係數大小對於淨力沒有影響。電場的對稱性使作用在粒子上的淨力互相抵消達平衡。 26 圖 2-4 粒子在不均勻電場中，粒子與溶液不同介電係數的介電泳力情形 (a) 粒子的介電係數大於溶液的介電係數，粒子極化程度較高，淨力方向往電場強度較強的區域，此為正介電泳力 (b)粒子的介電係數小於溶液的介電係數，溶液極化程度較高，淨力方向往電場強度較弱的區域，此為負介電泳力。 26 圖 2-5 圓形彎管的二次流示意圖。[28] 31 圖 2-6 週期性漩渦式二次流。[28] 31 圖 2-7 彎區管道流動示意圖。[28] 31 圖 2-8 整體微流道設計圖 33 圖 2-9 混合區結構設計圖。 34 圖 2-10 使用COMSOL模擬濃度變化、流場、流線圖。(a)濃度變化模擬圖。(b)流場模擬圖。(c)(d)流線模擬圖。 34 圖2-11 使用COMSOL模擬分析5種不同高矮結構的流場大小分布圖，每一張圖的高結構高度皆為20 μm。(a)矮結構3 μm。(b)矮結構6 μm。(c)矮結構9 μm。(d)矮結構12 μm。(e)矮結構15 μm。 36 圖2-12 使用COMSOL模擬分析4種不同高矮結構的流場大小分布圖，每一張圖的高結構高度皆為20 μm。(a)矮結構9 μm。(b)矮結構10 μm。(c)矮結構11 μm。(d)矮結構12 μm。 37 圖2-13 將兩種不同矮結構高度的微流道晶片皆使用注射幫浦以0.05 μl/min之流量作為入口處固定流量所得到的實驗結果圖，此部分為集中排列區的最後端部分。(a)矮結構高度為9 μm，高結構高度為20 μm。(b) 矮結構高度為11 μm，高結構高度為20 μm。 38 圖 2-14 集中排列結構設計圖。(a)整體集中排列微流道結構。(b)放大(a)圖的其中 7組高矮微流道集中排列結構。 38 圖 2-15 減緩細菌流速設計圖。 38 圖2-16 光電鑷夾示意圖。 40 圖2-17 設計之照光後會導通的電極圖案。 40 圖 3-1 微流道製程流程示意圖。 44 圖3-2 整體晶片圖。 45 圖 3-3 混合區製程結果。 45 圖 3-4 集中排列結構製程結果。(a)實體圖。(b)在顯微鏡下放大集中排列區域的結構結圖。 46 圖 3-5 含有旋塗TiOPc的分選區結果圖。 46 圖 4-1 聚苯乙烯乳膠微粒置換DEP 緩衝液步驟流程示意圖。 49 圖 4-2 混合區與集中排列區的實驗儀器架設示意圖。 50 圖 4-3 混合區與集中排列區的實驗儀器與晶片架設完成圖。 51 圖 4-4 分選區的實驗儀器架設示意圖。 51 圖 4-5 分選區的實驗儀器與晶片架設完成圖。 51 圖 4-6 混合區結構圖，以咖啡色框作為實驗對應的15個區域觀測。 52 圖 4-7 實驗結果圖，數字對應圖4-4之位置。 53 圖 4-8 對應圖4-4之15個區域使用Image J影像分析得到灰階值結果後，藉由內插法轉換成灰階值百分比單位，用Matlab畫出15個區域的灰階百分比值結果圖。 55 圖 4-9 對應圖4-4之1、5、9、13、15區域的灰階百分比值，藍色線為區域1，綠色線為區域5，淺藍色線為區域9，黃色線為區域13，紅色線為區域15。此張圖可以清楚看到由一開始區域1為基準，最大值與最小值百分比差100%，到了區域5的灰階百分比差約為60%，隨著流經越長的混合結構，其流道截面積的灰階值百分差值越來越小，最後在區域15，灰階百分比最大值與最小值差14%。 56 圖4-10 實驗中，聚苯乙烯乳膠微粒沾黏於微流道結構的情形。 57 圖4-11 以3 μm 聚苯乙烯乳膠微粒做集中排列實驗結果圖。(a)聚苯乙烯乳膠微粒一開始進去魚骨型矮結構集中排列結構前均勻分佈於微流道中。(b)前半段的集中排列結構區域，部分聚苯乙烯乳膠微粒集中排列於魚骨型矮結構上。(c)集中排列結構中段區域，大部分聚苯乙烯乳膠微粒集中於魚骨型矮結構尖端位置。(d)後半段集中排列結構區域，已達到集中排列效果。(e)最後端的魚骨型矮結構集中排列區，離開集中排列區時聚苯乙烯乳膠微粒已成功集中排列。 58 圖4-12 在集中排列區後端觀測3μm的聚苯乙烯乳膠微粒排列在魚骨型尖端線上的效率結果圖。 58 圖4-13 用帶有pGFP-TIR質體的E.coli JM109做集中排列實驗結果圖，主要將此部分的微流道結構分成四段。(A)最前段部分，大腸桿菌經過三個魚骨型矮結構的實驗結果圖。(B)中前段部分的實驗結果圖。(C)中後段部分，大部分大腸桿菌達到集中排列。(D)後段部分，最右邊的位置可看到大腸桿菌已經達到集中排列。 59 圖4-14 使用汞燈作為激發光照射於集中排列區結構之最後5個魚骨型矮結構區域，可以清楚看到大腸桿菌達到集中排列於魚骨型尖端位置。 60 圖4-15 將實驗時分成五個段落的集中排列結果圖組合成一直線，可以清楚看到大腸桿菌逐漸被集中排列。 60 圖4-16 靜態的晶片中，調控正介電泳力以操控大腸桿菌跟著投影於晶片上的光圖形成之虛擬電極移動。(1)一開始細菌位置。(2)經過2秒。 (3)經過4秒。 (4)經過8秒。 (5)經過12秒。 (6) 經過16秒。(7) 經過20秒。(8) 經過26秒。 61 圖4-17 分選區部份的實驗結果圖，流體流動方向為從左到右流動，可以看到大腸桿菌從圖(a)紅色線圈起來位置，受到虛擬電極的作用力影響，從圖(a)到圖(f)漸漸往右上角流動。 62 圖 1-1 典型的細菌生長曲線。[2] 13 圖 1-2 (a) 大腸桿菌 (b) 金黃葡萄球菌。[5] 14 圖 1-3 離心機。[8] 17 圖 1-4 流式細胞儀 (Fluorescence Activated Cell Sorter，FACS)。[10] 17 圖 1-5 螢光激發細胞分選儀示意圖。[11] 18 圖 1-6 交錯的人字凹槽混合結構。 (A) 一個半週期的人字凹槽混合結構示意圖。 (B)用共焦顯微鏡拍攝(A) 顯示一開始、半個週期以及一個週期的微流道垂直截面之螢光分布圖。[12] 21 圖1-7 利用兩側流體壓力使主要流體可聚焦之設計。 (Pi=5psi；∝=1.1； Wc=10μm)。[14] 22 圖 1-8 液體聚焦流動之共焦掃描顯微鏡圖像 (a) ∝=0.5，(b) ∝=1.0，(c) ∝=1.1，(d) ∝=1.2。主要流入流道的壓力值為定值: Pi=5psi。[14] 23 圖 1-9 流道與電路的等效模擬圖 (A) 液體流動聚焦的示意圖 (B) 用於設計和分析聚焦流體的模擬電路圖。[15] 23 圖 1-10 V型鞘流產生器。主流體被兩側鞘流夾於流道中間而產生流體聚焦。[19] 23 圖 1-11 用3-D聚焦之工作原理示意圖 (A) 俯視圖 (B) 側視圖。藉由流體動力與介電泳力使細胞/粒子聚焦於流道中間流動。[16] 25 圖 1-12 (a)詳細示意聚焦功能的微型晶片圖。中心流到的電極材料為金，電極間的間隙為10μm，長為5mm。 (b)微型晶片圖，此為安裝於顯微鏡的載物台上，利於觀察粒子的移動情況。[17] 25 圖 1-13 利用兩個平面電極產生的正介電泳力示意圖。[18] 26 圖 1-14 藉由iDMACS分選多個目標細菌細胞，(A) iDMACS分成三個步驟: Step A、 Step B、Step C。 (B) iDMACS架構，可收集不同的細胞。[20] 27 圖 1-15 微型濾波器設計。 (a)堰式型過濾器。 (b)支柱型過濾器。 (c)交叉流型過濾器。[21] 28 圖 1-16 用負介電泳力分離活的與經過熱處理的 Listeria innocua細胞，給予電壓1V、頻率10Hz，綠色的為活的細胞；紅色的為經過熱處理而死的細胞。[22] 29 圖 1-17 光電鑷夾系統圖。[23] 30 圖 2-1 均於電場下，微粒子被極化之示意圖(E為電場方向) 33 圖 2-2 均勻電場下，兩電荷受電場影響產生力矩之示意圖(τ為力矩) 33 圖 2-3 粒子在均勻電場中，粒子與溶液不同介電係數的比較情形 (a) 粒子的介電係數大於溶液的介電係數 (b)粒子的介電係數小於溶液的介電係數。在均勻電場中，粒子與溶液的介電係數大小對於淨力沒有影響。電場的對稱性使作用在粒子上的淨力互相抵消達平衡。 36 圖 2-4 粒子在不均勻電場中，粒子與溶液不同介電係數的介電泳力情形 (a) 粒子的介電係數大於溶液的介電係數，粒子極化程度較高，淨力方向往電場強度較強的區域，此為正介電泳力 (b)粒子的介電係數小於溶液的介電係數，溶液極化程度較高，淨力方向往電場強度較弱的區域，此為負介電泳力。 36 圖 2-5 圓形彎管的二次流示意圖。[26] 41 圖 2-6 週期性漩渦式二次流。[26] 41 圖 2-7 彎區管道流動示意圖。[26] 41 圖 2-8 整體微流道設計圖 43 圖 2-9 混合區結構設計圖。 44 圖 2-10 使用COMSOL模擬濃度變化、流場、流線圖。(a)濃度變化模擬圖。(b)流場模擬圖。(c)(d)流線模擬圖。 44 圖2-11 使用模擬軟體Comsol跑5種不同高矮結構的流場大小分布圖，每一張圖的高結構高度皆為20 μm。(a)矮結構3 μm。(b)矮結構6 μm。(c)矮結構9 μm。(d)矮結構12 μm。(e)矮結構15 μm。 46 圖2-12 使用模擬軟體Comsol跑4種不同高矮結構的流場大小分布圖，每一張圖的高結構高度皆為20 μm。(a)矮結構9 μm。(b)矮結構10 μm。(c)矮結構11 μm。(d)矮結構12 μm。 47 圖2-13 將兩種不同矮結構高度的微流道晶片皆使用注射幫浦以0.05 μl/min之流量作為入口處固定流量所得到的實驗結果圖，此部分為集中排列區的最後端部分。(a)矮結構高度為9 μm，高結構高度為20 μm。(b) 矮結構高度為11 μm，高結構高度為20 μm。 48 圖 2-14 集中排列結構設計圖。(a)整體集中排列微流道結構。(b)放大(a)圖的其中 7組高矮微流道集中排列結構。 48 圖 2-15 減緩細菌流速設計圖。 48 圖2-16 光電鑷夾示意圖。 50 圖2-17 設計之照光後會導通的電極圖案。 50 圖 3-1 微流道製程流程示意圖。 54 圖3-2 整體晶片圖。 55 圖 3-3 混合區製程結果。 55 圖 3-4 集中排列結構製程結果。(a)實體圖。(b)在顯微鏡下放大集中排列區域的結構結圖。 56 圖 3-5 含有旋塗TiOPc的分選區結果圖。 56 圖 4-1 聚苯乙烯乳膠微粒置換DEP buffer步驟流程示意圖。 59 圖 4-2 混合區與集中排列區的實驗儀器架設示意圖。 60 圖 4-3 混合區與集中排列區的實驗儀器與晶片架設完成圖。 61 圖 4-4 分選區的實驗儀器架設示意圖。 61 圖 4-5 分選區的實驗儀器與晶片架設完成圖。 61 圖 4-6 混合區結構圖，以咖啡色框作為實驗對應的15個區域觀測。 62 圖 4-7 實驗結果圖，數字對應圖4-4之位置。 63 圖 4-8 對應圖4-4之15個區域使用Image J影像分析得到灰階值結果後，藉由內插法轉換成灰階值百分比單位，用Matlab畫出15個區域的灰階百分比值結果圖。 65 圖 4-9 對應圖4-4之1、5、9、13、15區域的灰階百分比值，藍色線為區域1，綠 色線為區域5，淺藍色線為區域9，黃色線為區域13，紅色線為區域15。此張圖 可以清楚看到由一開始區域1為基準，最大值與最小值百分比差100%，到了區 域5的灰階百分比差約為60%，隨著流經越長的混合結構，其流道截面積的灰階 值百分差值越來越小，最後在區域15，灰階百分比最大值與最小值差14%。……66 圖4-10 實驗中，聚苯乙烯乳膠微粒沾黏於微流道結構的情形。 67 圖4-11 以3 μm 聚苯乙烯乳膠微粒做集中排列實驗結果圖。(a)聚苯乙烯乳膠微粒一開始進去人字型矮結構集中排列結構前均勻分佈於微流道中。(b)前半段的集中排列結構區域，部分聚苯乙烯乳膠微粒集中排列於人字型矮結構上。(c)集中排列結構中段區域，大部分聚苯乙烯乳膠微粒集中於人字型矮結構尖端位置。(d)後半段集中排列結構區域，已達到集中排列效果。(e)最後端的人字型矮結構集中排列區，離開集中排列區時聚苯乙烯乳膠微粒已成功集中排列。 68 圖4-12 在集中排列區後端觀測3μm的聚苯乙烯乳膠微粒排列在人字型尖端線上的效率結果圖。 68 圖4-13 用帶有pGFP-TIR質體的E.coli JM109做集中排列實驗結果圖，主要將此部分的微流道結構分成四段。(A)最前段部分，大腸桿菌經過三個人字型矮結構的實驗結果圖。(B)中前段部分的實驗結果圖。(C)中後段部分，大部分大腸桿菌達到集中排列。(D)後段部分，最右邊的位置可看到大腸桿菌已經達到集中排列。 69 圖4-14 使用汞燈作為激發光照射於集中排列區結構之最後5個人字型矮結構區域，可以清楚看到大腸桿菌達到集中排列於人字型尖端位置。 70 圖4-15 將實驗時分成五個段落的集中排列結果圖組合成一直線，可以清楚看到大腸桿菌逐漸被集中排列。 70 圖4-16 靜態的晶片中，調控正介電泳力去操控大腸桿菌跟著投影於晶片上的光圖形成之虛擬電極移動。(1)一開始細菌位置。(2)經過2秒。 (3)經過4秒。 (4)經過8秒。 (5)經過12秒。 (6) 經過16秒。(7) 經過20秒。(8) 經過26秒。 71 圖4-17 分選區部份的實驗結果圖，流體流動方向為從左到右流動，可以看到大腸桿菌從圖(a)紅色線圈起來位置，受到虛擬電極的作用力影響，從圖(a)到圖(f)漸漸往右上角流動。 72 表目錄 表4.1 配置200ml DEP bufferDEP 緩衝液溶液所需加入之化學藥品。…………………………….4855