當我們放入一焦距為f 的凸透鏡在平面與 x-y 平面間，並且將 x-y 平面置於此凸透
Thin lens
Thin lens
圖3.2 經透鏡的繞射示意圖
3-1-2 全相位光空間調變器（phase only spatial light modulator）
在全像雷射鑷夾系統中，全相位光空間調變器（phase only spatial light modulator）
是決定雷射鑷夾光場分佈的主要元件。全相位光空間調變器的意義是可調變入射光場 的相位分佈，但不改變入射光的強度分佈。此種光空間調變器的優點是：無外在因素 條件下，光波經過光空間調變器反射出來後，不會損耗光的能量，所以不容易被損壞。
由理論得知，雷射鑷夾的捕捉力只與光場強度有關，因此我們可以任意設計一空間相 位分佈的函數圖形輸入光空間調變器，使得產生的光強度分佈符合我們所需的雷射鑷 夾捕捉圖形，像是線形雷射鑷夾。為了得到空間相位分佈的函數圖形，我們必須使用 數學演算法。在一些演算法中，我們使用由Gerchberg 及 Saxton 提出的 G-S 演算法來 得到空間相位分佈[22] ，以符合我們的需求。演算法的計算方式流程圖如圖 3.3 所示
首先，我們用假設的方式輸入相位空間分佈φ1in 。然後將此相位空間分佈t()乘 上入射光場振幅的空間分佈Uin()，就得到 U()。將 U()用快速富氏轉換即可得 到光場在x-y 平面上的空間分佈 U(x,y)。檢查 U(x,y)的振幅空間分佈是否符合我們所需 的光場振幅分佈。如果符合，則假設輸入的相位空間分佈φ1in 剛好是我們想要的。如 果不是，我們將U(x,y)的振幅空間分佈 Af’換成所需的振幅空間分佈 Af，再反富氏轉換 回到平面上。接著我們將所得到的光場分佈的振幅部分再換回入射光場的振幅分佈 Ain，再進入下個迴圈中。如此重複上述步驟直到得到所需的輸入相位空間分佈φnin 。
inn
in i inn
A e
E
FFT
nf
n i n f
f
A e
E
Assume in1
inn
T:in
nf
i n f
f
A e
E
Inverse FFT
inn
in i inn
A e E ~ ~
Converged?
N=n+1 A ：入射光場的空間分佈 in
A ：所需的光場分佈 f
in：所需的光相位調變分佈
n
Af ：第n 次迴圈的光場分佈 n
in ：第n 次迴圈中輸入相位分佈圖3.3 GS 演算法流程圖
得到相位空間分佈所需要的演算時間，有很大的部分是決定於一開始時所假設的
7) 一傳統單點捕捉雷射鑷夾系統中置入一反射式PPM（Hamamatsu, X8267）。其中最重要 的是，這個PPM 應放置在系統中顯微物鏡的等效前焦平面上，使得 PPM 所調變的相位 圖案得以在顯微物鏡的後焦樣品平面上產生一個富利葉轉換對應的線形圖案。
如圖3.4 所示，一個半導體雷射光束(@1064 nm)首先經過一個由 L1與L2兩片透鏡 組成的擴束器(Beam Expander)擴大其截面積，以填滿 PPM 的接收面積，預期能充分利 用PPM 調變雷射光束相位的功能。這個被 PPM 相位調變後的反射光束經過由透鏡 L3
與L4組成的縮束器（Telescope）縮束之後，再經過一個二色反射鏡(Dichroic Mirror)，
剛好填滿顯微物鏡(100X, NA=1.25)的入瞳。同時，透鏡 L3與L4也將PPM 調變過的相位 圖案，成像在顯微物鏡的前焦平面上。最後，進入顯微物鏡的光束在樣品平面上呈現出
一個由多捕捉點組成的線形圖案。為同時觀察實驗過程並擷取影像分析，我們開啟樣品 平面後方的照明光源，使得樣品平面上的影像得以經由顯微物鏡與透鏡L5成像在CCD 攝影機上。
圖3.4 線形捕捉全像雷射鑷夾系統裝置圖。系統包含一傳統式雷射鑷夾與一反 射式PPM
3-2 微流管道
現今科技的潮流除了生物科技、奈米科技、通訊外，還有一個就是微機電。從現今 當紅的科技來看，微小化已是趨勢。微流管道的運用是從微流體理論而來的，而微流體 是微機電中很重要的一部份。我們知道，液體在管道中流動，會受到管壁的磨擦阻力。
當管道的口徑越小時，管壁的磨擦阻力會越大。所以必須施加外力，才能使液體在微小 的管道中流動。目前普遍採用的方法是加壓或加高壓電場來控制液體在微小管道裡流 動。若能在微流管道中置入非對稱微電極和加低壓交變電場也能控制液體在微流管道中 的流動，微流管道的寬度大約在幾個m 到幾十個m。微流體的技術，目前大部分使用 在生化方面，而在生化方面主要有兩大方向。一是Lab on a chip，也就是竭盡所能地在 同一晶片上完成最多的操作方式，如樣品存取、分子篩選或提高濃度、分離、分類和檢 測等。這樣就能在一片晶片完成所有的實驗，因為如前所述的知道，傳統的生化實驗是
費時、費力及耗材，若能Lab on a chip 是一大突破。第二項即是建立可以同時進行大量 同種分析，如DNA 的解碼、DNA 片段擴增、蛋白質結晶等的系統，生物晶片的發展，
就是一個很好的例子。
在線形雷射鑷夾分離微粒子的過程中，我們需要利用微流管道來輸送微粒子，因此 必須製作微流管道。微流管道的利用已普遍的應用在生醫的檢測上，藉由微流管道晶 片 ， 能 將 原 本 需 要 在 實 驗 室 完 成 的 生 物 樣 品 檢 測 能 在 晶 片 上 完 成 ， 也 就 是 Lab-on-a-chip。這也是我們的雷射鑷夾結合微流管道所要做的事。目前微流管道的尺寸 介於直徑數微米至數百微米之間，有很大的範圍。在我們的論文裡，微流管道的尺寸在 於數十微米之間。微流管道的製作我們一開始用兩種方式：一個是用 Silicon 矽晶片製 作，另一個是用軟性材質 PDMS 製作[23-25]，製作的過程都需用到半導體光微影製程技 術。選擇兩種材質製作微流管道的主要目的是要比較流體在不同材質的流動情形，以及 緊密貼合度，再選出較適合的材質。在經過實際的測試之後，其兩者的液體流速控制相 同，而製作過程後者較前者簡單，且PDMS 材質與生物樣品具相容性，對於以後有較大 的應用性，所以我們選擇PDMS 材質的微流管道。
3-2-1 光微影術（Photolithography）
光微影術是半導體製程中的前段製程技術，在製作微流管道微米尺寸時必須用到此 技術。光微影術主要是利用對光會產生化學反應的化學藥劑，我們稱之為光阻劑。光阻 劑可分為正光阻劑與負光阻劑，其特性以照光的特性作區分。在本研究中，所用的光阻 為負光阻，因此我們以負光阻為例，來說明其特性。負光阻的特性是在照光時，受到光 照射的部分會因為紫外光產生化學反應，使光阻的結構的鍵結更加堅固，相對沒照光的 部分結構上就變的鬆散。經由照光與沒照光的區別，我們就可以經由溶劑即顯影劑將沒 照光的光阻也就是相對結構鬆散的光阻去除。負光阻的特性如此，而正光阻的特性則是 與負光阻相反，照光後的光阻結構變鬆散，容易被溶劑去除。一般負光阻為厚膜光阻，
適合直接以此光阻製作微結構。由於這樣的特性，我們可以設計光罩，也就是將我們要 的圖樣，像是微流管道製作成光罩，經由光罩圖樣的透光與不透光就可以來區分光阻照 光或不照光的部分，這樣就可製作出光罩上的圖樣。微結構的製程技術從 1980 年代初 期懷特賽斯與努索之研究衍生而來，他們把高度排列整齊的「自組單層分子膜」
（self-assembled monolayers, SAMs）中的分子製成薄膜。軟微影術中有一種使用 PDMS 做為材料的一種鑄模技術，可以造出小至10 奈米的結構。
3-2-2 聚二甲基矽氧烷（PDMS）
PDMS 為一具有彈性的材料，本身有些黏性，組成的成分為重複的-Si(CH3)2O-分 子，由PDMS 與硬化劑兩種化合物混合而成，一般使用的比例為 10：1，經烘烤後會固 化。由於 PDMS 本身具有些微的黏性可以和玻璃、矽晶片和 PDMS 自己本身黏合，所 以可以與這些材料結合製做微結構。不過這種鍵結的力量並不是很強，不能抵抗太大的 力量。PDMS 有很多的應用，而優點有：
1.較高的生物與化學相容性和安全性。
2.製程簡單。
3.材料的硬度及表面的黏性易控制。
4.透明的材質，易於觀察液體的流動。
5.成本低。
3-2-3 微流管道的製作方法
圖 3.5 為微流管道的設計藍圖，是使用 Autocad 軟體繪製出來的，其中有 7 個出入 口，最左邊二個是樣品溶液進入的入口，中間三個是收集被分離樣品的出口，剩下最右 邊兩個是排出剩餘樣品溶液的出口。Silicon 的製程和 PDMS 的製程將會在後面的文章 做說明。
圖3.5 微流管道設計圖 3-2-3-1 Silicon 的製程
本實驗步驟使用半導體製程技術，包括微影、蝕刻以及陽極接合技 術，製程方法如下：
在晶格結構為＜100＞的矽晶圓上做標準 RCA 清洗處理製程(附錄二)。接著，如圖 3.6 所示，在晶圓正反面上長 1m 的熱氧化層(thermal oxide SiO2)當 Mask Oxide，以抵 檔正面電感藕合電漿蝕刻(ICP)深蝕刻。
如圖3.7 所示，我們接著利用黃光微影製程將微流道入口與出口的光罩圖案，製作 在矽晶圓反面上。接著使用反應離子蝕刻(RIE)，把沒被光阻保護的 thermal oxide 蝕刻 掉，以定義出微流道入口與出口圖案並使用丙酮把多餘光阻去掉。
在氧化層做完出入口後，再利用黃光微影製程將光罩上的微流道製作在矽晶片的正 面上。如圖3.8 所示，我們同樣使用反應離子蝕刻(RIE)，把正面沒被光阻保護的 thermal oxide 蝕刻掉，做出正面微流道及入口與出口圖案，並使用丙酮把多餘光阻去掉。
圖3.8 蝕刻微流管道出口與入口氧化層示意圖
接著，蝕刻微流道所需之深度，利用電感藕合電漿蝕刻(ICP)做矽晶片深蝕刻製程。利用 陽極接合製程，將矽晶片與 Pyrex 玻璃接合(圖 3.9)。利用 TMAH 濕蝕刻製程將背部微
Silicon Oxide Oxide 圖3.6 長熱氧化層
Photoresist
Silicon Oxide Oxide 圖3.7 蝕刻入口與出口氧化層示意圖
入口 出口
流道入口與出口蝕穿，使微流道出口與微流道相連通，以完成矽晶片之製程。
圖3.9 蝕刻矽晶片與接合 Pyrex 玻璃示意圖
圖3.9 蝕刻矽晶片與接合 Pyrex 玻璃示意圖