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研究生： 陳彥志
Yen-Chih Chen
論文名稱： 數位微流體系統運用在生醫檢體操控研究
Application of biodiversity manipulation by digital microfluidic system
指導教授： 饒達仁
Da-Jeng Yao
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 87
中文關鍵詞： 微液滴傳送技術 、電濕潤效應 、生醫檢體
外文關鍵詞： Droplet transport technology, Electrowetting on dielectrics, biomolecular
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    • 微液滴傳送技術是一種不需要利用傳統微流道，便可控制流體的新技術，具有製程簡便、微量控制、混合容易、成本低廉等優點。本文主要是以陣列式平行雙電極板實驗為架構，利用電濕潤效應(Electrowetting on dielectrics, EWOD)，來測試操控生醫檢體的可行性。利用交流電壓(AC)及低頻率的實驗，經由電路設計與分析，進而影響驅動液體的理論機制與作用力大小間的關係。進行不同濃度之生醫檢體驅動測試，以及表面破壞測試實驗，最後探討ㄧ些重要參數對實驗的影響，進而在未來能夠設計ㄧ個效能較佳的微液滴傳送裝置。

    Droplet transport technology doesn’t need channels to control fluids compared with traditional microchannel designs. This new concept gives several advantages: such as simple fabrication, easy droplet volume controlling, easy mixing, and low cost. 8×8 electrodes were applied for experiment chips in order to identify the EWOD phenomenon which makes the biomoleculer droplets moving. In order to observe the surface damage after droplet moving, proper AC power and low frequency were used for achieving optimal controlling parameters. The influence of important parameters for designing a better microfluidic transport device were discussed at the end

    摘要 i 誌謝 iii 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 1 1.3 主要貢獻 2 1.4 本文架構 2 第二章 文獻回顧 4 2.1 微液滴驅動利用介電質材料的電濕潤效應 4 2.2 生醫檢體利用電濕潤效應 8 2.3 不同介電層材料對於電濕潤效應 14 第三章 理論原理推導 18 3.1 疏水特性理論 18 3.2 接觸角變化與液滴移動 20 第四章 實驗設計與架構 24 4.1實驗目的 24 4.1.1 電濕潤效應(EWOD)的原理與裝置 25 4.2 實驗裝置 26 4.2.1 電極板設計 26 4.2.2 EWOD晶片製作技術 27 4.2.3 實驗機台裝置設計 30 4.2.4 電路設計 30 4.3實驗裝置整體架構 33 4.3.1 實驗器材的架設 33 4.4改良型機台設計 36 4.4.1機台改良 36 第五章 實驗結果與分析 38 5.1 接觸角量測結果 38 5.2 EWOD陣列式平行雙電極板微液滴操作 43 5.2.1 89C51單晶片程式設計 43 5.2.2 89C51單晶片作動與EWOD晶片裝置 44 5.2.2 89C51晶片程式設計軌跡測試 46 5.2.3 EWOD晶片微液滴驅動情況 48 5.3 EWOD晶片之應用 49 5.3.1 生醫檢體蛋白質驅動測試實驗 50 5.3.2 改變軌跡路徑 51 5.3.3 生醫檢體蛋白質軌跡驅動測試實驗 52 5.3.4生醫檢體DNA軌跡驅動測試實驗 55 5.4 人機介面操控 61 5.4.1生醫對於表面破壞測試 62 5.4.2實驗分析與討論 71 第六章 結論與展望 83 6.1 結論 83 6.3 未來展望 85 參考文獻 86 圖目錄 圖2- 1 (a)EWOD實驗示意圖(b)施加電壓造成接觸角改變 [2] 4 圖2-2 EWOD液滴傳送裝置示意圖 [3] 5 圖2- 3利用EWOD以達到液滴產生(creating)、傳送(transporting)、分離(cutting)與結合(joining)的目的 [4] 6 圖2- 4 (a)(b)材料示意圖[5] 7 圖2- 5整體架構圖[5] 7 圖2- 6 25伏特時所量測的接觸角示意圖[5] 8 圖2- 7十五伏特下驅動圖[5] 8 圖2- 8 EWOD機制所使用的材料示意圖[6] 9 圖2- 9生醫檢體移動情形示意圖[6] 9 圖2- 10生醫檢體對於頻率關係圖[6] 10 圖2- 11生醫檢體蛋白質驅動示意圖[6] 10 圖2- 12架構以及材料示意圖[7] 11 圖2- 13數位微流晶片圖[7] 11 圖2- 14 1.5μL血液移動四個電極的實際驅動圖[7] 12 圖2- 15驅動電壓與頻率關係圖[7] 12 圖2- 16電濕潤效應光學檢測示意圖[8] 13 圖2- 17液體沿著有電極利用牽引的方式移動[8] 13 圖2- 18液體在電極較寬的地方形成液珠[8] 14 圖2- 19以水或NaCl當做液體電極之機制圖[9] 14 圖2- 20施加電壓微液珠變化圖(b)未加入電壓(c)以加入電壓[9] 15 圖2- 21 Mirror-EWOD示意圖[9] 15 圖2- 22自我對準(Self-Aligned)示意圖[9] 15 圖2- 23自我對準(Self-Aligned)實際實驗測試圖[9] 16 圖2- 24設計與實驗示意圖[9] 16 圖3- 1接觸角示意圖(a)為常態表面水珠接觸角(b)為超疏水表面水珠接觸角(c)粗糙表面之疏水結構 19 圖3- 2接觸角示意圖 20 圖3- 3平行板電容的電荷分佈圖 21 圖3- 4藉由 方程式做electrowetting實驗 22 圖3- 5接觸角變小而使得液滴移動 23 圖4- 1微液珠在介電平板上的變化圖 25 圖4- 2 EWOD裝置示意圖 26 圖4- 3 (a)4吋ITO玻璃光罩圖 (b)下極板示意圖 27 圖4- 4 EWOD晶片製作流程圖 28 圖4- 5 EWOD晶片 29 圖4- 6平行陣列式雙極板電極示意圖 29 圖4- 7 EWOD實驗機台 30 圖4- 8 EWOD電極與電路設計 31 圖4- 9 EWOD裝置與PC相連接圖 31 圖4- 10 EWOD 上下平板的電極與繼電器連接圖 32 圖4- 11在EWOD晶片上滴入適當大小體積的微液滴 34 圖4- 12實驗機台裝置完成圖 34 圖4- 13 EWOD整體架構 35 圖4- 14 卡夾式傳導示意圖 36 圖4- 15光罩設計圖 37 圖4- 16新一代機台完整示意圖 37 圖5- 1接觸角量測儀器 38 圖5- 2儀器拍攝到的液滴形狀 39 圖5-3量測接觸角示意圖 40 圖5- 4不同電壓的接觸角變化圖 41 圖5-5製作完成的試片 42 圖5-6 89C51單晶片 44 圖5-7 89C51單晶片與繼電器控制電路圖 (a) 89C51晶片電路圖 45 圖5-8 EWOD機台裝置與繼電器連接電路圖 45 圖5-9 89C51單晶片程式設計軌跡路徑示意圖 46 圖5- 10繼電器ON/OFF驅動情形 47 圖5- 11 D. I. WATER測試驅動圖 49 圖5-12 BSA濃度0.0001mg/ml驅動測試 50 圖5-13 BSA濃度0.001mg/ml驅動測試 51 圖5-14 程式設計軌跡路徑示意圖 52 圖5-15 BSA濃度0.01mg/ml驅動測試 53 圖5-16 BSA濃度0.1mg/ml驅動測試 54 圖5- 17 DNA濃度0.1ng/μl驅動測試 55 圖5-18 DNA濃度1ng/μl驅動測試 56 圖5-19 DNA濃度10ng/μl驅動測試 57 圖5-20 DNA 濃度25ng/μl+oil驅動測試 58 圖5-21 DNA 濃度50ng/μl+oil驅動測試 59 圖5-22 DNA電解現象 60 圖5- 23人機介面示意圖 61 圖5-24 BSA 0.0001mg/ml表面破壞測試曲線圖 65 圖5- 25不同濃度DNA表面破壞曲線圖 71 圖5- 26表面破壞分析圖 72 圖5- 27測試液體平均驅動時間 73 圖5-28 DNA1ng/μl鐵氟龍層破壞圖 73 圖5-29為DNA5ng/μl電解圖 74 圖5- 30為DNA5ng/μl電解圖 74 圖5-31 模擬一開一關下表面破壞圖 75 圖5-32 不同DNA濃度兩秒下驅動時間 75 圖5- 33 不同濃度下通過一個電極 76 圖5- 34鐵氟龍破壞實驗示意圖 77 圖5- 35不同電壓驅動時間曲線圖 79 圖5- 36表面破壞次數曲線圖 81 圖5- 37兩曲線比較圖 82 圖6- 1 生醫破壞分析圖 85 表目錄 表5- 1蛋白質未施加電壓接觸角測試 39 表5-2蛋白質接觸角測試圖 39 表5-3 蛋白質接觸角測試圖 41 表5- 4為BSA 0.0001mg/ml RELAY TIME=0.6sec驅動次數 62 表5- 5為BSA 0.0001mg/ml RELAY TIME=0.8sec驅動次數 63 表5- 6為BSA 0.0001mg/ml RELAY TIME=1sec驅動次數 63 表5- 7為BSA 0.0001mg/ml RELAY TIME=1.5sec驅動次數 63 表5- 8為BSA 0.0001mg/ml RELAY TIME=2sec驅動次數 63 表5- 9為DNA 1ng/μl RELAY TIME=0.6sec驅動次數 65 表5- 10為DNA 1ng/μl RELAY TIME=0.8sec驅動次數 65 表5- 11為DNA 1ng/μl RELAY TIME=1sec驅動次數 66 表5- 12為DNA 1ng/μl RELAY TIME=1.5sec驅動次數 66 表5- 13為DNA 1ng/μl RELAY TIME=2sec驅動次數 66 表5- 14為DNA 5ng/μl RELAY TIME=0.6sec驅動次數 67 表5- 15為DNA 5ng/μl RELAY TIME=0.8sec驅動次數 67 表5- 16為DNA 5ng/μl RELAY TIME=1sec驅動次數 67 表5- 17為DNA 5ng/μl RELAY TIME=1.5sec驅動次數 68 表5- 18為DNA 5ng/μl RELAY TIME=2sec驅動次數 68 表5- 19為DNA 10ng/μl RELAY TIME=0.6sec驅動次數 69 表5- 20為DNA 10ng/μl RELAY TIME=0.8sec驅動次數 69 表5- 21為DNA 10ng/μl RELAY TIME=1sec驅動次數 69 表5- 22為DNA 10ng/μl RELAY TIME=1.5sec驅動次數 69 表5- 23為DNA 10ng/μl RELAY TIME=2sec驅動次數 70 表5- 24 不同DNA驅動次數覽表 70 表5- 25統整表 77 表5- 26不同電壓所驅動時間 79 表5- 27為DNA 5ng/μl RELAY TIME=0.5sec驅動次數 80 表5- 28為DNA 5ng/μl RELAY TIME=1sec驅動次數 80 表5- 29為DNA 5ng/μl RELAY TIME=1.5sec驅動次數 80 表6- 1最佳驅動切換時間 85

    參考文獻
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