第一章 緒論
1.3 粒子於微流道中電動力學相關應用
1.3.4 微流道電泳中不同介質之篩分機制
De Gennes[90]將高分子溶液分為稀溶液、半稀薄溶液和濃溶液三 類。在稀溶液中當高分子溶液低於臨界交疊濃度 (overlap threshold concentration，C*)，高分子鏈之間無相互作用，在流體動力學上彼此 可視為是孤立的(見下圖(a))，單一高分子鏈在溶液當中伸展的迴轉半徑 (radius of gyration，Rg)以虛線圓表示；稀溶液的粘度很低，黏度與濃度 呈現線性關係。隨著濃度增加到 C*，高分子團開始互相碰撞(見下圖(b))；
當濃度高於 C*時，高分子鏈開始纏結，在纏結溶液中形成了具有一定 孔徑的動態網絡(又稱 dynamic pores)，而對待測物具有篩分效果(見下 圖(c))[91-93]。用於微流道電泳的非凝膠篩分介質主要是稀溶液和半稀 薄溶液，在半稀薄溶液當中高分子鏈之間的平均距離可視為遮蔽長度 (screening length，ξ)，Grossman 和 Soane 認為[94]此可作為半稀薄溶 液當中動態網絡的有效孔徑。
圖 1.8 不同濃度高分子溶液的高分子鏈交互作用示意圖[95]
1.3.4.2 微流道電泳中的篩分機制
1986 年，著名生物學家、諾貝爾獎獲得者 H. Dulbecco 提出人類基 因組計畫(Human Genome Project, HGP)[96]，1990 年正式啟動，是一項 規模宏大，跨國且跨學科的科學探索工程，美國能源部及國家衛生研 究院也投資三十億美金，預計在 15 年內完成計畫。HGP 宗旨在於測定 組成人類染色體所包含的 30 億個鹼基對組成的核苷酸序列，據以繪製 人類基因組圖譜，並且辨識其載有的基因及其序列，達到破解人類遺 傳信息的目的。DNA 定序之基本概念源自 1977 年由 Fred Sanger 等 人[97]發表之論文，數十年來由於核酸之生化反應、電泳操作、資訊取 得與分析等快速進展導致定序科技有所突破，其中微流道當中的電泳 分析方法對 DNA 定序具有舉足輕重的影響力。1991 年，Grossman 和
Soane[94]開展高分子溶液對 DNA 等長鏈分子的分離機制研究，他們認 為纏結高分子溶液中形成的動態孔洞(dynamic pores)使得較小的 DNA 分子透過 Ogston 篩分機制、較大的 DNA 分子透過爬行機制被分離，
這個概念從凝膠電泳機制發展而來的。
隨著科技進步，近年來電泳分離技術逐漸往微小化尺度發展，微 流體元件相關應用非常廣泛，尤以生醫技術研究為其主流。1990 年 Manz 提出微全程分析系統(micro total analysis system, μ-TAS)概念[98]，
目的是將實驗室複雜的分析流程，運用微機電技術，在特殊設計的微 流道上(尺度一般多在 10 μm 以上)設置微幫浦(pump)、微閥門(valve)、
微感測器(detector)以及微反應器(reactor)等，將樣品前處理、混合、傳 輸、分離以及偵測等複雜功能整合在數公分大小的晶片上，又稱為實 驗室晶片(lab-on-a-chip)[28]，具有檢測速度快、可平行大量處理、試劑 耗損少、可自動化以及可攜式等優勢。
相較於微機電技術，奈米流體技術利用更先進的製程將流道尺度 縮小至奈米等級(嚴格定義需小於 100 nm)，然而其概念並非只是尋求 裝置微小化，而是將待測及預分離的樣品侷限於奈米尺度空間中(侷限 空間)，導致原先在微米尺度下可忽略的電動力學現象顯得相當重要，
諸如膠流體通道的邊界效應、電雙層的重疊(overlapping)與極化效應等 等，進而將所延伸出的物理性質來發展新的應用，達到最適化奈米元
件效益。上述談及的侷限環境除了能透過流體通道大小操作進行篩析 外，也可因膠體粒子(樣品)特性不同以及流體通道帶電與否來達到分離 的效果，主要可分成三種：Ogston 篩析(Ogston sieving)、熵捕捉效應 (entropic trapping)以及靜電篩析(electrostatic sieving)[28]，以下分別說明 三種機制。
一般來說，膠體粒子在奈米流體通道前進之型態會影響其泳動度。
而樣品(例如蛋白質、DNA、RNA 等等)在電解質溶液中的蜷曲程度，
與膠體粒子的旋轉半徑 Rg (radius of gyration)和通道孔徑大小 Rb有關。
以膠體粒子型態主要可依 Rg < Rb、Rg ~ Rb、Rg > Rb三個區域來探討。
此外因流體通道帶電而產生之電雙層厚度κ-1也將影響篩析功能，即須 考量κ-1和 Rb尺寸大小之比值，而κ-1越小代表電解質溶液濃度越高。
當 Rg < Rb，即膠體粒子尺寸小於奈米流體通道管徑時，短鏈 DNA、
RNA、蛋白質以及球型分子等其型態在適當電解質濃度中會呈蜷曲 狀，可自由穿越奈米流體通道，不會受到限制而產生變形，這些溶質 可視為剛性小球。此範圍的粒子未被糾纏(unentagled)，即所謂 Ogston 篩選機制之區域。根據 Ogston 在 1958 年的研究[99]，提出其膠體粒子 泳動度μm約可以 Rg、Rb表示：
~ exp g
m
b
R
R
(1.3.1)
而當 Rg ~ Rb，即膠體粒子尺寸約略等於奈米流體通道管徑，此時 膠體粒子約略受到流體通道擠壓而變形。此區粒子呈現弱糾纏(weakly entangled)，可用熵捕捉效應來解釋此區域粒子泳動狀態。當 Rg > Rb， 即粒子尺寸大於奈米流體通道管徑，此時粒子無法再保有原來的型 態，而像是蛇一樣在奈米流體通道中移動。此區粒子呈現強糾纏 (strongly entangled)，一般以蠕動模型或 Biased reputation [100]來描述。
上述三種區域皆建立在 κ-1 << Rb條件下，即電解質濃度較低時。另一 種常用之篩析功能則建立在κ-1~ Rb，此時膠體粒子之帶電量將會影響 粒子通過流體通道與否及其滯留時間，一般以靜電篩析來說明。為了 進一步對 Ogston 篩析、熵捕捉效應、靜電篩析三種篩析機制概念及應 用，以下分別說明：
(1) Ogston 篩析(Rg < Rb)：
如圖 1.9(a)所示，綠色代表較小分子量之篩析膠體粒子，紅色為較 大分子量的粒子。從圖中可以看出藉由控制橫向電場 Ex之大小，小分 子量之膠體粒子有較佳的橫向穿透率(通過淺溝槽)，反之大分子量之膠 體粒子橫向穿透率則較低。這是因為小分子量之膠體粒子其能壁障礙 (steric energy barrier)較低，拖曳力相對較小，故其橫向通過之或然率 (jump passage rate, Px)較高。藉由此法吾人可以有效調控 Ex以達到分離
短鏈(或較小分子量)膠體粒子之目的。
(2) 熵捕捉效應(Rg ~ Rb)：
如圖 1.9(b)所示，此區膠體粒子尺寸與奈米流體通道管徑相當，此 情況下無論粒子大小，通過淺溝槽時皆會發生形變。研究發現較長鏈 之膠體粒子其橫向穿越之或然率 Px反而較短鏈粒子高，這是因為此時 能壁障礙僅和橫向電場 Ex成反比，與長短鏈無關。然而短鏈分子較易 被受困於淺溝槽中，反倒長鏈分子卻因與淺溝槽有較大的接觸面積，
而有較大機率跨越溝槽。(1)、(2)主要假設是奈米流體通道的尺度遠大 於電雙層厚度，即 κ-1 << Rb情況下，故靜電作用力較弱；反之若若電 雙層厚度κ-1(圖示中之 λD)與流體通道直徑 Rb相當時，此時庫侖靜電力 扮演重要的角色，如(3)之說明。
(3) 靜電篩析 (κ-1~ Rb)：
如圖 1.9(c)所示，因為流體通道管壁電雙層占據了大部分空間，根 據電荷相吸相斥原理，同電性離子在管壁周圍濃度低，而在流道中央 濃度高，也因此帶電量越大之同電性粒子因排斥力較大也就越難橫向 穿越溝槽。此法也是選擇透性膜(permselective membrane)原理，利用此 法即可分離帶電量(電性)不同的膠體粒子。
其中 Ogston 篩選機制最初是用於描述粒子穿透凝膠孔洞的機制，
而凝膠的孔洞大小與其濃度有關。通常凝膠濃度越高，其對應孔洞直 徑越小，所以不同的凝膠濃度有不同的有效分析範圍。舉例來說，小 片段 DNA 適用於孔徑較小之凝膠，對於長鏈 DNA 會使得解析度變差；
反觀大孔徑之凝膠又無法有效分離小片段之 DNA，故在進行凝膠電泳 必 須 慎 選 凝 膠 種 類 和 濃 度 ， 否 則 會 面 臨 實 驗 穩 定 性 與 再 現 性 (reproducibility)不足之問題。此外，進行多次電泳實驗亦會造成凝膠孔 洞被分析物堵塞之問題，或使凝膠破裂而形成較大之孔洞造成解析度 降低，此時必須更換凝膠片而使成本提高。也因此針對凝膠系統內孔 洞大小不一致之問題，Han 等人[101]進而發展出新的奈米通道分離系 統，可精準控制奈米孔徑大小，如此對研究 Ogston 篩選機制之區域提 供相當大的貢獻，也說明了奈米流體通道將能有效取代傳統凝膠電泳 檢測方法，在待測物的分析分離上扮演不可或缺之角色。
(a) (b)
(c)
圖 1.9 膠體粒子於奈米流道當中篩分機制的示意圖：
(a) Ogston 篩析、(b)熵捕捉效應、(c) 靜電篩析[102]
1.4 粒子在微流道電泳現象理論研究回顧