文獻回顧

1.2.1 毛細管電泳發展史

近年來，毛細管電泳 (capillary electrophoresis, CE)已成為分析化學領域 中發展最快的一種微量分離技術。其原理是將帶有不同電荷或質量的離子，

利用其質荷比的不同，在緩衝溶液中受到外加直流電場的作用時會產生不同 的遷移速率，進而達到分離的目的。

電泳技術發展百年多的歷史，早在 1808 年就發現電泳現象，但在 1937 年才發展成為一種分離方式，由瑞典科學家 Tiselius 設計了世界上第一台自 由電泳儀，建立了移界電泳法 (moving boundary, EP)，成功地將人類血清蛋 白質分離，使得人們更瞭解血清的成份，藉此偉大突破發展，在 1948 年更 榮獲諾貝爾獎[1]。1979 年 Mikkers[2]提出以 200 µm 內徑的玻璃毛細管和聚 四氟乙烯毛細管進行區帶電泳 (zone electrophoresis) 試驗，成功利用較小內 徑的毛細管來控制焦耳熱。

1981 年，Jorgenson 和 Lukacs[3]提出以內徑 75 µm 的玻璃毛細管柱，在 充滿緩衝溶液的毛細管兩端施加 30 kV 的電壓來分離衍生化的胺基酸，同時

日本科學家 Terabey[4]在 1984 年突破了這個限制，發展出微胞電動毛 細管層析技術 (micellar electrokinetic capillary chromatography, MECC or MEKC)，在緩衝溶液中加入介面活性劑，當介面活性劑達到臨界微胞濃度

(critical micelle concentration, CMC)以上時，介面活性劑形成微胞，利用中性 物質在微胞相及溶液相間不同的分配係數而達到分離的效果。

1987 年，Cohen 和 Karger[5]將傳統的凝膠電泳技術應用在毛細管，提 出了毛細管凝膠電泳技術 (capillary gel electrophoresis)。此外還有利用不連 續的緩衝溶液系統所造成的電場差異使得分析物依照其在不同電場下有不 同的電泳速率進行分離，稱為毛細管等速電泳法（capillary isotachophoresis, CITP）技術[6]。

由於毛細管電泳技術具有：（1）分離效率高；（2）樣品用量少；（3）

分析速度快等特性，近年來毛細管電泳得以在各方面應用持續發展，為人類 帶來更多的貢獻。

1.2.2 毛細管電泳晶片流道發展

在 1989 年 Manz[7]提出微小化全自動分析的概念(Micro-total Analysis System-TAS)，其目的是希望將實驗中進行的生化或一般化學反應整合在微 小的晶片上,以減少試劑的用量、人為操作污染等問題，一方面也達到全自 動分析的目的，因此稱為實驗室晶片(Lab-on-a-chip)，由於分析步驟是藉由 流體在晶片上微管道內完成整個流程，因此又稱為微流體晶片。而實驗室晶 片與微陣列晶片(Microarray)不同的是晶片上有微流體管道，其製作方式是 利用微機電製程的蝕刻技術在基材上形成三圍空間的通道，與另一平面材料 黏合形成微管道，在微管道內可進行對液體的多樣操控以配合分析流程。

在 1994 年 Woolley[8]等人發展出毛細管電泳連續流體式微晶片，其特 色是將以往需要龐大設備才能執行的毛細管電泳，利用微機電製程技術應用 到毛細管電泳晶片上，以蝕刻玻璃的方式，先在其中一片玻璃蝕刻出三維空 間的流道，再利用接合技術與另一片玻璃黏合形成管道，其結構如圖 1-1 所 示，雖然電泳的歷史發展已久，但此時才算是真正的進入電泳晶片的時代。

圖 1-1、玻璃基材微流道[8]

接下來 1998 年 Paulus[9]等人開始嘗試利用塑膠(Henry Plastics, Fremont, CA)結合玻璃的方式製作管道，有別於以往全用玻璃當流道材質的差別，塑

膠更容易圖刻以及接合，製程上也較為容易，此後高分子材料如：Parylene 和 PDMS 便開始成為毛細管電泳晶片的主流， 2000 年 Webster[10]等人利 用 Parylene 材料製作流道，如圖 1-2。2001 年 Hong[11]等人利用高分子材料 PDMS 結合 PMMA 製作微流道，如圖 1-3。其最大的原因是因為高分子材料 製程容易，且接合部份也容易克服，因此近年來大部分微晶片流道皆利用高 分子材料為流道主體。但目前電泳晶片皆為封閉式實體流道，尚無開放式流 道。

圖 1-2、以 Parylene 式微流道 [10]

圖 1-3、PDMS 式微流道 [11]

1.2.3 液介電泳回顧

1978 年由英國學者 Pohl[12]開始提出介電泳(dielectrophoresis)之理論並 開始發展，其原理現象主要為在一非均勻電場之下，不帶電粒子受到電場 的極化作用後，開始產生移動現象，近年來許多生物晶片便是利用此介電 泳技術來操控生物分子，是生物微操控領域中相當重要的技術之一。

在 2001 年，T. B. Jones[13]提出液介電泳(liquid dielectrophoresis)現象，

與過去介電泳不同為其主要在描述利用液體與其周圍液體之介質介電常數 高低不同，在非均勻電場下所產生之液體驅動力，進而達到操控液體之流 動現象如下圖 1-4。

圖 1-4、液介電泳流動情形[13]

2006 年 Fan[14]等人在上下平行板定義液介電泳電極，利用上下板電極 所造成之非均勻電場操控液介電泳現象，更以此在兩平行板間創造開放式 液體流道，並可利用液體符合電極形狀之優勢達成更精準操控液體體積以 及複雜形狀之液體流道，開放式流道具有製程簡單無需外加幫浦、試劑用 量更少、可整合數位化流體等優勢，發展日趨蓬勃多元。