微流道電泳之待測物分離模式及篩分介質

電泳技術發展迄今已逾百年，可廣泛應用於生物醫學、製藥、環 境工程、毒物檢測…等多個領域，因應不同的待測物性質，研究者亦 採用多樣化的分離機制以提高分離效率及對待測物的分離解析度 (resolution)。早期平板凝膠電泳是最常被採用的分離技術之一[64]，但 其製備繁瑣、散熱性差，且由於可採用的電場強度小，以致分離時間 長達數小時甚至數天，分離效率不佳。近數十年內，高效率毛細管電 泳 技 術 蓬 勃 發 展 ， 主 流 技 術 包 括 毛 細 管 區 帶 電 泳 (capillary zone electrophoresis, CZE)[65, 66] 、 毛 細 管 凝 膠 電 泳 (capillary gel electrophoresis, CGE)[60, 67]、微胞電動層析法(micellar electrokinetic chromatography, MEKC)[68, 69] 、 毛 細 管 電 動 層 析 (capillary electrochromatography, CEC)[70, 71]等。近年來更進一步結合微機電技 術及電泳技術，利用蝕刻法或線壓法在數公分見方的晶片上製作微小 流道，在其上進行電泳分離，此技術特點在於分離效率高、樣品消耗 量低、可透過多元化設計同時進行多重試驗等，朝向將所有的實驗流 程整合在同一個晶片上完成(Lab-on-a-chip, LOC)[27, 29]的方向發展。

毛細管區帶電泳為最簡單且被廣泛使用的分離方法，當在毛細管 兩端施加電位差時，緩衝溶液當中不同的分析物根據其電荷和質量比 值(charge to mass ratio，又稱荷質比)而有不同的遷移率，使其在毛細管

中形成不同的區帶以達到分離的效果。但 CZE 只適用於分離陰離子或 陽離子，中性物質因不受緩衝溶液 PH 值和電場的影響，僅能靠電滲透 流到達偵測端，遷移率相同，因此 CZE 無法區分不同的中性物質。

毛細管凝膠電泳透過在管柱中填充篩分介質(sieving medium)以形 成分子篩(molecular sieve)，可分離不同物理性質(大小、電荷、等電點) 的分子，除了可分離核酸及蛋白質等生物分子外[72]，亦可分離奈米微 粒[73, 74] ，具有速度快、解析度佳、靈敏度高、所需樣品量少且可自 動化操作等優點，也改良了 CZE 只能依據分析物的荷質比分離的機制 [75]。 傳 統 平 板 凝 膠 電 泳 採 用 的 介 質 通 常 是 交 聯 性 的 聚 丙 烯 醯 胺 (polyacrylamide, PA)，為能進一步確認分析物的分子量，還會再添加界 面活性劑 sodium dodecyl sulphate 增加蛋白質親水性[76, 77]，因此 SDS 聚 丙 烯 醯 胺 凝 膠 電 泳 (SDS-polyacrylamide gel electrophoresis, SDS- PAGE)成為蛋白質分析的主流技術[78, 79]。毛細管凝膠電泳雖同樣採 用交聯性聚丙烯醯胺作為篩分介質，但其黏度過高，不易以壓力方式 推入毛細管當中，學者遂使之在毛細管當中進行聚合反應，但亦容易 發生凝膠體積變大、產生氣泡、凝膠斷裂及熱效應等問題，因此凝膠 電泳結果的再現性(reproducibility)不佳，且毛細管柱製備較困難，穩定 性差，管柱中填充不易置換、易受汙染的凝膠亦造成管柱壽命降低，

因此研究者尋求以可形成篩孔的線性凝膠介質或聚合物溶液作為篩分

介質。

纏結聚合物溶液(entangled polymer solution)電泳通常用於生物大 分子的分離，尤其是核酸、蛋白質等。由於毛細管電泳以非纏結聚合 物溶液作為篩分介質能夠顯示良好的再現性，能準確地測定 DNA 片段 的大小，因此常被用在聚合酶鏈式反應(Polymerase chain reaction, PCR)

、 DNA 限 制 片 段 (DNA restriction fragments) 及 序 列 分 析 (DNA sequencing)。1990 年，Heiger 及 Cohen[80]以低聚合度或線性的聚丙烯 醯胺作為篩分介質，成功地以高效率分離 12,000 個鹼基對(base pairs) 的雙股 DNA 片段，其遷移率隨電場強度及分子大小而變化。1991 年 Widhalm[81]以毛細管區帶電泳方式，在緩衝溶液當中加入線性聚丙烯 醯胺作為篩分介質，並添加界面活性劑 SDS 增加蛋白質親水性，依據 分子量成功分離四種蛋白質(分子量介於 17,800 到 77,000 之間)。

採用非凝膠篩分介質，一般是先將聚合物分散在緩衝溶液當中，

以靜力學方法填充入毛細管中，管柱中溶液較容易充填及洗出，操作 簡單，管柱可重複使用且可應用於自動化分離操作，也不會像凝膠在 填充過程中容易產生空泡，因此目前非纏結聚合物溶液已取代凝膠介 質廣泛地用於毛細管電泳中，特別是近年來發展迅速的毛細管陣列電 泳 (capillary array electrophoresis, CAE)[82, 83] 和 微 晶 片 電 泳 (microchip-based electrophoresis, MCE)[84]。常見的非凝膠篩分介質包

括 線 性 均 聚 物 (linear homopolymer) 、 共 聚 物 (random/block/graft copolymers)和混合物等，其中線性均聚物包括 linear polyacrylamide (LPA)[85] ， poly(N,N-dimethylacrylamide) (PDMA)[86] ， polyethylene oxide (PEO)[87]，Poly(vinylpyrrolidone) (PVP)[88]，纖維素及其衍生物。

非凝膠的篩分介質常見於微奈米系統應用中，學者也透過微奈米 級的毛細管電泳分離量子點、奈米粒子或奈米藥物載體，亦可應用於 環境毒物或汙染物粒子檢測。2009 年，Li 等[89]用高分子添加劑作為 篩分介質，運用一種高效能的毛細管電泳方法來分離不同尺寸的量子 點(quantum dots, QDs)，以測定水溶性 CdSe／ZnS 量子點的大小。量子 點是一種主要由 IIIA-VA 或 IVA-VIA 族元素組成的半導體奈米顆粒，

能夠吸收激發光的能量產生螢光，量子點的粒徑一般在 2～10 nm 之間。

傳統螢光染料都需要不同波長的激發光激發，半導體量子點則可持續 發光，其螢光壽命可達有機染料分子的 100 倍以上，也因此有效率的 量子點分離技術應用相當廣。此外，非凝膠篩分介質亦可用於分離奈 米粒子或奈米藥物載體，金奈米顆粒在奈米微電子、生物、分子識別、

光學、催化等方面有具潛力的應用前景，有效控制顆粒尺寸大小，提 高其分散性對金奈米顆粒的性能研究尤為重要。如何調控奈米藥物載 體(PLA-NPs、dendrimer、奈米結構脂質載體等)的表面電荷及尺寸相當 關鍵，其亦可透過毛細管電泳方式分離。

1.3.4 微流道電泳中不同介質之篩分機制