利用電控微流體平台合成且圖案化異質且跨尺度之微組件

國立台灣大學工學院機械工程學系 碩士論文

Department of Mechanical Engineering College of Engineering

National Taiwan University Master Thesis

利用電控微流體平台合成且圖案化異質且跨尺度之 微組件

Heterogeneous and Cross-scale Microcomponent Synthesis and Patterning on an Electro-microfluidic

Device

陳奕伶 Yi-Ling Chen

指導教授：范士岡 博士 Advisor: Shih-Kang Fan, Ph.D.

中華民國 105 年 8 月

August, 2016

致謝

研究所這兩年多以來，非常感謝范士岡教授的細心教導，帶我進入了一個全 新的科學領域。感謝老師在我完全沒有頭緒時，指引我研究的方向，在我遇到困 難時，給予我建議，在每一次的口頭報告中，教導我如何有條理有邏輯的向他人 介紹我的研究成果。在研究所生涯學習到的東西真的太多太多，以前的我非常害 怕上台報告，一開始在實驗室的團體報告中總是有點怯弱，一次一次的慢慢練習，

讓我克服了上台報告的恐懼，甚至能夠在國際研討會中以英文口頭報告我的研究 成果，這對我來說是非常大的收穫。范老師除了在研究上給予了許多指導外，老 師在研究領域中的堅持與努力，做人處事的態度都是讓我學習的地方。

感謝林頌然老師、陳林祈老師和許聿翔老師撥冗參加我的畢業口試，各位老 師給了我們許多的意見，讓我們未來的研究方向更多元更完整。

感謝實驗室中所有共同努力的夥伴們，與你們共事是研究生涯中最開心的事 情。感謝敏瑜學姊，因為有你先前的研究讓我遵循，才讓我的實驗有了基礎，畢 業前的那一段時間跟你相處，讓我問了很多問題，謝謝你總是很仔細的回答我。

感謝欣宜學姊、奕翰學長和威凱學長，在剛進實驗室有你們的幫助和教導，讓我 儘快適應環境並學習實驗的項目。感謝杰龍學長耐心教導我有關生物方面的知識。

感謝大欣學姊總是正面的鼓勵我們。感謝家倩百忙之中跟我們一起吃飯，謝謝你 總是鼓勵著大家。感謝一起努力奮鬥的寒來、孟琮、毅庭、安得，跟你們一起修 課，一起趕作業和報告，一起討論實驗，不只實驗上的，生活上的互相扶持都讓 我很感激。感謝學弟敬哲、家泰、炯輝、翔麟，大家都很貼心善良，在生活上實 驗上都給我非常多的幫助，有你們的這些幫忙才讓我順利的做完實驗。感謝育璿、

凱懋、邵元、寬倫，實驗室有你們的加入會更加強大，未來也要繼續加油！感謝 羿妏、建瑜、Vicky 讓實驗室生活充滿了許多笑聲。感謝職業組的大家，特別是 郁凱和元聖，你們跟我一起過完了這兩年的研究生活，感謝你們的幫忙。感謝一 起在台大念研究所的成大同學們，知道有熟悉的人就在身邊，讓我在新環境能有

安全感，希望我們都有好的未來。感謝心慈即使在遙遠的日本也繼續陪我聊心事，

有你的陪伴讓我心情有了抒發的窗口。感謝蔡紫筠總是在我最茫然的時候幫我釐 清我的想法，沈澱我的思緒。最後最感謝的是我的家人，每每在我心情低落，壓 力無法釋放時，回家一趟總是能讓我恢復成最好的狀態，謝謝爸爸總是在我搭車 回家時來載我，跟我分享旅行的照片，見識到台灣山林的美麗，謝謝媽媽總是陪 我聊天，知道我有壓力，也不會勉強我說出口，只是陪伴在我身邊，為我加油打 氣，謝謝弟弟總是陪我閒聊，讓我的壓力不再繼續累積，謝謝你們努力當我最強 壯的後盾。

這段日子以來得到的太多太多，除了學會了研究的方法，也學習到很多生活 以及人生所需要的技能，如何報告、如何解決問題等…，感謝所有研究生活幫助 過我的所有人們，因為有你們，我才能夠完成這本論文，感謝你們。

中文摘要

本研究主要利用電控微流體 (Electro-microfluidic) 操控技術建造、排列水膠 微組件，並利用可自定義圖形之 UV 光源將水膠圖案化。實驗中以介電濕潤

(Electrowetting on dielectric，EWOD) 現象為移動水膠液滴之方法，藉由設計之電 極圖案，操控含有不同螢光粒子的水膠液滴，並將之排列為不同大小以及不同圖 案的水膠微結構。生物組織之技術已發展的相當成熟，藉由建造微組件並將之排 列成三維結構也有許多合成方式，例如：微囊胞形成法、光刻法、微塑形法以及 微流道方法等，但各種方法都有其限制。實驗中主要使用聚乙二醇二丙烯酸酯

(Poly(ethylene glycol) diacrylate，PEGDA) 之水膠材料，將 PEGDA 與螢光粒子 混合成水膠溶液 (100% PEGDA 與 0.5% 光起始劑) 後，在高度 100 μm 的電 控微流體平台中，以 20-80 Vpp，1 kHz 的交流電訊號操控水膠溶液。利用介電 濕潤現象形成、分離及移動液滴。將液滴移動至特定位置後，以可圖案化之 UV 光將水膠溶液定義成特定圖形。透過操控含有兩種不同螢光粒子的水膠溶液，我 們已在電控微流體平台上成功合成出 1 × 3、2 × 2、2 × 3 及 3 × 3 之水膠微組件 陣列，也成功的建構出十字形狀、螺旋形狀以及六角形的異質結構，並於電控微 流體平台上操控固態之水膠微組件。未來可將生物材料加入水膠結構當中，應用 於組織工程。

關鍵字：異質結構、水膠、介電濕潤、電控微流體平台

ABSTRACT

We synthesized and assembled the hydrogel microcomponents on an electro- microfluidic device with patterned UV illumination. Electrowetting on dielectric (EWOD) was adopted to manipulate the hydrogel prepolymer droplets with fluorescent particles on the designed electrodes and to assemble the crosslinked hydrogel microcomponents into a programmalbe microstructure. We used Poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) with photoinitiator (concentration 0.5 (w/v)%) as the hydrogel material, and mixed it with fluorescent particles as the manipulating prepolymer solution. On applying 20-80 Vpp and 1 kHz AC signals, we transferred, merged and split the hydrogel solution droplets between the plates (gap height 40 μm) on the electro-microfluidic device with EWOD. Hydrogel microcomponents were prepared through (1) transferring and assembly of multiple droplets on a specific location and (2) crosslinking with patterned illumination. By assembly the crosslinked hydrogel microcomponents containing varied and reorganized fluorescent particles, we successfully constructed heterogeneous hydrogel structures with 1 × 3, 2 × 2, 2 × 3 and 3 × 3 microcomponents and cross-, spiral- and hexagonal- shaped heterogeneous structure. To construct heterogeneous hydrogel structure, the cross-scale patterned hydrogel microcomponents were manipulated in another hydrogel material, and cured in different pattern. In the future, we will replace the material with cell or biomaterial

to apply on tissue engineering and biomedics.

Keywords：heterogeneous hydrogel, electrowetting, electro-microfluidic device

目錄

致謝... I 中文摘要... III ABSTRACT ... IV

目錄... VI 圖目錄... VIII

第一章 緒論... 1

1.1 前言 ... 1

1.2 文獻回顧 ... 1

1.2.1 水膠微組件之圖案化與合成... 1

1.2.2 水膠微組件之排列與組裝... 6

1.2.3 應用... 11

1.3 研究動機 ... 13

第二章 理論介紹... 15

2.1 介電濕潤理論 ... 15

2.2 介電泳之理論 ... 18

2.3 電控微流體平台之應用 ... 26

第三章 實驗製程、儀器及系統介紹 ... 29

3.1 電控微流體晶片製程 ... 29

3.2 實驗儀器及材料 ... 31

3.3 實驗系統介紹 ... 37

3.3.1 電控微流體晶片系統... 37

3.3.2 水膠製備... 38

3.3.3 實驗水膠溶液製備... 40

3.4 實驗設計及目的 ... 40

3.4.1 光罩設計... 40

3.4.2 實驗流程... 42

第四章 結果與討論 ... 46

4.1 水膠排列... 46

4.2 螢光粒子排列... 52

4.3 異材質且跨尺度之水膠排列... 55

4.4 水膠微組件之排列... 58

第五章 總結與未來展望 ... 67

5.1 結語 ... 67

5.2 未來展望 ... 67

參考文獻... 69

圖目錄

圖 1-1 使用光罩定義水膠之圖形 [3]。... 2

圖 1-2 以微塑形方式形成膠體微組件示意圖 [10]。 ... 4

圖 1-3 經由微塑形方式形成的膠體微組件 [10]。(A) 為 MeHA，(B)、(C) 和 (D) 為 PEGDA。 ... 4

圖 1-4 使用矽模具製作出具有圖形的水膠結構 [6]。(b) 和 (d) 為模具圖形， (c) 和 (e) 為經過模具壓製出的水膠。 ... 5

圖 1-5 使用微流道合成水膠微組件之示意圖 [8]。 ... 6

圖 1-6 使用微流道合成之水膠微組件 [8]。... 6

圖 1-7 利用光刻法合成水膠微組件並以針頭排列 [13]。... 7

圖 1-8 以細胞標定中空圓柱水膠之內側與外側。紅色為肌肉細胞；綠色為內皮 細胞 [13]。(比例尺：100 µm) ... 8

圖 1-9 微組件之微塑形製程與排列 [11]。 ... 9

圖 1-10 排列後的水膠微製程與細胞生長狀態 [11]。 ... 9

圖 1-11 光蝕刻法製造水膠微組件示意圖 [12]。 ... 10

圖 1-12 形成不同的水膠微組件並排列 [12]。... 11

圖 1-13 生物藥品檢測平台 [15]。... 12

圖 1-14 水膠於生物組織之應用 [16]。... 13

圖 2-1 一般電濕潤的設置。液滴濕潤現象，虛線處為施加零電壓，實線處為施 加高電壓的狀態 [48]。 ... 16

圖 2-2 在介面線上的力平衡 (𝜃𝜃Y大約為30˚)。 ... 17 圖 2-3 接觸角 θ 與頻率關係，導電率分別表示為 1850 μS/cm (方形)、197

μS/cm (圓型)、91 μS/cm (菱形)、42 μS/cm (三角形)，而 𝜃𝜃𝜃𝜃 與 𝜃𝜃 以虛 線及實線表示 [49]。(絕緣層：厚度 1 µm 的熱生長氧化矽 (Thermal

oxidation of silicon)，疏水結構則為單層的十八烷基

(Octadecyltetrachlorosiloxane)。) ... 18

圖 2-4 粒子於不均勻電場中之負介電泳現象及正介電泳現象 [58]。... 19

圖 2-5 電控微流體平台的簡單電路圖 [50]。... 20

圖 2-6 在兩平板中插入介電物質之示意圖。l 為平行板之長度，w 為平行板的寬 度，d 為兩平行板的間距，x 為介電物質進入平行板的深度，E 為電場 [59]。 ... 21

圖 2-7 邊緣電場產生的效應使介電物質往平行板內部移動 [59]。... 23

圖 2-8 物質與周圍環境介面示意圖。其中 𝑃𝑃0 為施加於液體表面的大氣壓力， 𝑃𝑃 為液體表面壓力，𝑇𝑇𝑇𝑇 為馬克斯威爾張量，𝜀𝜀0 為真空中介電常數，𝜀𝜀 為液體介電常數 [60]。 ... 23

圖 2-9 以負介電泳力操控液體中之固體微組件。 ... 24

圖 2-10 以正介電泳力操控液體中之固體微組件。 ... 25

圖 2-11 利用介電濕潤技術製造之可變焦聚透鏡 [62]。 ... 26

圖 2-12 利用介電濕潤與介電泳之技術分離細胞 [48]。... 27

圖 2-13 焦磷酸測序晶片 [63]。... 28

圖 3-1 加裝帶狀電纜連接器。 ... 33

圖 3-2 PCB 繼電器 (LU-5)。繼電器之內部電路圖。 ... 34

圖 3-3 數據截取裝置 (DAQ USB-6509)。 ... 34

圖 3-4 可自定義圖形光源 (Polygon 400)。 ... 35

圖 3-5 電控微流體平台流程圖。 ... 37

圖 3-6 PEGDA 經過 UV 光照射後之分子改變 [64]。 ... 39

圖 3-7 實驗中使用之光罩圖形。(a) 方形電極。(b) 六角形電極。 ... 41

圖 3-8 實驗中使用之光罩圖形。(比例尺：1 mm) ... 41

圖 3-9 電極內部圖形之放大圖。(比例尺：250 μm) ... 42

圖 3-10 電控微流體平台結構示意圖。 ... 43

圖 3-11 水膠排列方法示意圖。 ... 43

圖 3-12 水膠排列後以特定圖形 UV 光照射固化之示意圖。 ... 44

圖 3-13 多個水膠液滴排列之示意圖。 ... 44

圖 4-1 使用可自定義圖形 UV 光源照射交聯後之水膠結構。(比例尺：500 μm) ... 46

圖 4-2 2 × 3 水膠陣列。(比例尺：1 mm) ... 47

圖 4-3 1 × 3 水膠陣列。(比例尺：500 μm) ... 48

圖 4-4 2 × 2 水膠陣列。(比例尺：1 mm) ... 48

圖 4-5 3 × 3 水膠陣列。(比例尺：1 mm) ... 48

圖 4-6 排列水膠液滴後，以可自定義圖形之 UV 光源曝光。(a)以可自定義圖形 之 UV 光源在兩個液滴結合的位置照射十字形狀的 UV 光。(b) 可見光下 之十字形狀水膠結構。(c) 使用螢光顯微鏡觀察水膠結構，。(比例尺： 500 μm) ... 49

圖 4-7 排列 2 × 2 的水膠陣列，並以可自定義圖形之 UV 光源曝光。(a) 將水膠 排列至特定位置。(b) 同時開啟中央四個電極。(c) 水膠因電場之影響移 動至中心位置。(d) 在四個水膠液滴接觸的中心以可自定義圖形之 UV 光源照射十字形狀的 UV 光。(比例尺：500 μm) ... 50

圖 4-8 將曝光後的水膠結構以顯微鏡觀察。(a) 可見光之影像。(b) 以螢光顯微 鏡觀察，因使用兩種不同的螢光粒子，可看到十字形狀的水膠結構內部 含有交錯的顏色。(比例尺：500 μm) ... 51 圖 4-9 使用可自定義圖形之 UV 光源照射螺旋形狀的 UV 光於 2 × 2 的水膠陣列

之中心。(a) 可見光之影像。(b) 以螢光顯微鏡觀察，因使用兩種不同的

螢光粒子，可看到螺旋形狀的水膠內部含有交錯的顏色。(比例尺：500

μm) ... 51

圖 4-10 將水膠液滴移動至有圖形的電極上方。螢光粒子於水膠中排列。(a) 白 光源之影像。(b) 以螢光顯微鏡觀察。(比例尺：1 mm) ... 52

圖 4-11 在白光環境下以顯微鏡觀察螢光粒子排列後之水膠微組件。 ... 53

圖 4-12 以螢光顯微鏡觀察螢光粒子排列後之水膠微組件。(比例尺：200 μm) 54 圖 4-13 跨尺度水膠排列並使用可自定義圖形之 UV 光源使水膠交聯。 ... 56

圖 4-14 水膠與螢光粒子排列後，以十字形狀 UV 光源照射並交聯。(a) 白光源 之影像。(b) 以螢光顯微鏡觀察。(比例尺：250 μm) ... 56

圖 4-15 水膠與螢光粒子排列後，以中空六角形之 UV 光源照射並交聯。(a) 白 光源之影像。(b) 以螢光顯微鏡觀察。(比例尺：250 μm) ... 57

圖 4-16 水膠與螢光粒子排列後，以中空六角形之 UV 光源照射並交聯。(a) 白 光源之影像。(b) 以螢光顯微鏡觀察。(比例尺：250 μm) ... 57

圖 4-17 利用微量吸管尖將固化後的水膠微組件取下。(比例尺：1 mm) ... 59

圖 4-18 固化後的方形微組件在水膠溶液中的排列。(比例尺：1 mm) ... 59

圖 4-19 固化後的方形微組件在水膠溶液中上下堆疊。(比例尺：1 mm) ... 60

圖 4-20 將水膠微組件排列成 2 × 2 的陣列組合。(比例尺：1 mm) ... 60

圖 4-21 將水膠微組件上下堆疊並排列成 1 × 3 的陣列組合。(比例尺：1 mm) . 61 圖 4-22 十字形狀水膠微組件於液態水膠中之排列情形。(比例尺：1 mm) ... 62

圖 4-23 十字形狀之水膠微組件排列。(比例尺：500 μm) ... 62

圖 4-24 六角形水膠微組件於水膠溶液中的排列結果。(a) 白光源之影像。(b) 以螢光顯微鏡觀察。(比例尺：500 μm) ... 63

圖 4-25 利用鑷子將固化後的水膠結構取下。(比例尺：1 mm) ... 63

圖 4-26 六角形狀之水膠微組件排列。(比例尺：1 mm) ... 64

圖 4-27 含有螢光粒子排列之異質水膠微組件於水膠溶液中之排列。 ... 64

圖 4-28 以螢光顯微鏡觀察水膠結構。(比例尺：500 μm) ... 65 圖 4-29 六角形水膠微組件於水膠溶液中移動排列之過程。(比例尺：1 mm) ... 66 圖 4-30 將六角形微組件排列成六角陣列之結果。(比例尺：1 mm) ... 66

第一章 緒論

1.1 前言

目前生物醫療技術為現代科技主要發展之目標，人們希望可以透過科技製造 出便於使用的檢測平台，或是能夠以人工的方式合成出人體的組織，供器官衰竭 的病人使用。因此近年來，微機電系統 (Micro-electro-mechanical Systems，MEMS)、

實 驗 室晶 片 (Lab-on-a-chip ， LOC) 或 是 生 物 奈 米機 電 系統 (Biological nano- electro-mechanical system，Bio-NEMS) 都致力於生醫領域之發展。為了達到以人 工方式合成人體組織的目的，常見的方法是以水膠當作基底結構，並在水膠內部 或水膠表面培養細胞。由於水膠含有高透氣、透水及生物相容的特性，液體和氣 體可以藉由水膠內部的孔隙進行交換，因此成為建構生物組織的最佳材料。生物 內部的組織器官結構是非常複雜的，且不同的組織是由不同形狀組成，為了更貼 近模擬人體的組織，目前的研究以異材質的結合或多種細胞的共培養為目標，而 將水膠合成為特定圖形也是其中非常重要的技術。

透過組裝異材質的微組件，可拼裝出較複雜且三維的微結構。合成和組裝 不同性質的材料或是不同尺寸的微組件通常是分開進行的，目前常見的方式大 多是先將水膠合成後，再利用其他的方式將水膠排列或組裝。

1.2 文獻回顧

1.2.1 水膠微組件之圖案化與合成

形成微組件的方法有許多種，微囊胞形成法 (Emulsification) [1-2] 為目前最 常用的方法，此方法將水膠溶液與有機物質形成多相混合物的微液滴。液滴大小

受到機械攪拌程度、溶液的黏度以及是否添加介面活性劑的影響，藉由使用不同 交 聯 方 式 的 溶 液 ， 可 形 成 各 種 不 同 型 態 的 微 組 件 或 微 液 滴 。 光 刻 法 (Photolithography) [3-5] 在目前的電子產業中為一經常使用的技術，藉由使用光 固化式的水膠材料，便可用光罩配合 UV 光曝光出自定義的圖形。目前常使用的 膠體材料為人工合成的聚合物，如：PEG (Poly(ethylene glycol))。

2007 年，Christopher N. Ta [3] 使用邊緣有許多圓形小孔的光罩圖形以模擬 角膜的形態，如圖 1-1 所示，採用含水量高且透明的水膠材質 (PEGDA M.W.

8000) 當作基材，在光固化型的水膠上使用 UV 光曝光出特定的圖形。在表面修 飾生物材料以提升膠體的生物相容性，製造出模擬角膜形狀的三維微結構。

圖 1-1 使用光罩定義水膠之圖形 [3]。

微塑形法 (Micromolding) [6-7] 使用高分子聚合材料 PDMS (Poly (dimethyl siloxane))，利用矽晶圓模具製作出 PDMS 軟模後，將 PDMS 壓置於水膠材料 上，將水膠材料固化後即可得到圖形化之水膠結構。利用其它材料製作軟模具可 能可以得到更高的解析度。

2006 年，Ali Khademhosseini [10] 團隊提出一種微塑形的方法，如圖 1-2，

先使用 PDMS 做出一個特定形狀的模具，再將含有細胞的溶液倒進經過電漿清 洗的 PDMS 模具中，並在上方壓上一塊平板狀的 PDMS，使細胞溶液可以固定 在模具中。照射 UV 光使細胞溶液固化後，將上方平板狀的 PDMS 取起，便可在 平板狀的 PDMS 上看到被模具定型的膠體，此時便可將含有細胞的膠體取下，

如圖 1-3。其使用的材料為聚乙二醇二丙烯酸酯 (PEGDA，Poly(ethylene glycol) diacrylate) 和甲基丙烯酸酯化透明質酸 (MeHA，Methacrylated hyaluronic acid)。

MeHA 的配置方法為：先配製 1 wt% 的 Hyaluronic acid 水溶液，再將 1 wt%

的 Methacrylic anhydride 加入先前的 Hyaluronic acid 水溶液中，放在冰上 24 小 時進行反應，並以 NaOH 將 pH 值調整為 8-9。經過透析純化及冷凍乾燥後可 得固體狀態之 MeHA，使用時將固體狀態之 MeHA 與 PBS 混合並加入光起始劑 成為光固化且具有生物相容性之水膠。PEGDA 以 10% (w/w) 的濃度與 PBS 混 合。

圖 1-2 以微塑形方式形成膠體微組件示意圖 [10]。

圖 1-3 經由微塑形方式形成的膠體微組件 [10]。(A) 為 MeHA，(B)、(C) 和 (D) 為 PEGDA。

2010 年，Amy J. Wagoner Johnson [6] 使用模具在水膠上印壓出圖案。其方 法是先將配製好的水膠溶液倒入容器中，並將矽製成的模具壓在水膠溶液上方，

利用超音波震盪器將溶液中的氣泡去除後，於室溫下放置 25 分鐘使水膠溶液聚 合為固體。將未聚合的液體去除後，即可得到以模具為圖形的水膠結構，如圖 1- 4。使用之水膠溶液為 8% (w/v) 的丙烯醯胺 (Acrylamide)、過硫酸銨及四甲基乙 二胺 (Tetramethylethylenediamine，TEMED) 溶於 HEPES (4-(2-hydroxyethyl)-1- piperazineethanesulfonic acid) 緩衝液中，為一種化學交聯式的水膠。

圖 1-4 使用矽模具製作出具有圖形的水膠結構 [6]。(b) 和 (d) 為模具圖形，

(c) 和 (e) 為經過模具壓製出的水膠。

(比例尺 (b) 和 (d) 5 μm；(c) 和 (e) 20 μm)

微流道方法 (Microfluidics) [8-9] 主要是利用液體本身的黏性與表面張力之 差異形成液滴，液滴的大小則是取決於流道的設計，例如改變微流道的尺寸，

可能會形成球狀或棒狀的水膠液滴。

2005 年，George M. Whitesides [8] 團隊使用微流道合成水膠微組件。如圖 1- 5 (b) 和 (c) 為使用光固化型水膠與溫感型水膠之實驗流道設計。使用光固化型 水膠時，將流道下游長度變長，使水膠照射到 UV 光的時間也加長；使用溫感型

水膠時，改變流道下游的溫度使水膠交聯。如圖 1-6 所示，藉由不同的流道設計，

可 形 成 不 同 形 狀 之 水 膠 微 組 件 。 使 用 的 材 料 有 二 縮 三 丙 二 醇 二 丙 烯 酸 酯 (Tri(propylene glycol) diacrylate，TEGDA)、瓊脂糖 (Agarose) 以及熱固化合成的 鉍合金 (Bismuth alloy)。

圖 1-5 使用微流道合成水膠微組件之示意圖 [8]。

圖 1-6 使用微流道合成之水膠微組件 [8]。

1.2.2 水膠微組件之排列與組裝

藉由細胞微組件的合成與組裝，可創造出模仿生物構造的人工組織，甚至 可創造新的材料或原本不存在於自然界的組織。

2011 年，Ali Khademhosseini [13] 利用光刻法先在水膠材料上曝光出中空圓 柱形的水膠陣列，接著將水膠陣列整個移入礦物油中，並利用針頭將每一排的水 膠微組件結合在一起，因為水膠為親水性材質，針頭對水膠會有吸引的作用，因 此可以將水膠微組件串成一個更大的圓柱體微結構。材料製備為 20 % PEGDA (M.W. 4000) 溶於 DPBS (Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline) 中。

圖 1-7 利用光刻法合成水膠微組件並以針頭排列 [13]。

圖 1-8 以細胞標定中空圓柱水膠之內側與外側。紅色為肌肉細胞；綠色為內皮 細胞 [13]。(比例尺：100 µm)

2013 年，Gordana Vunjak-Novakovic [11] 也使用微塑形的方式製造含有細胞 的水膠微組件 (Gelatin methacrylate，GelMA)，如圖 1-9，不同的是，將微組件取 下後，利用固體模具再將固化後的微組件排列成特定形狀，如圖 1-10。

圖 1-9 微組件之微塑形製程與排列 [11]。

圖 1-10 排列後的水膠微製程與細胞生長狀態 [11]。

2013 年，S. Tasoglu [12] 團隊使用光蝕刻的方法創造水膠微組件，使用光固 化材料搭配光罩曝光後，未被光照射到的水膠還未固化，所以能被沖洗掉，如圖 1-11。將固化後的水膠取下後，使用微型機器人再進行排列，如圖 1-12。其材料 的製備為 20% PEGDMA (Poly(ethylene glycol) dimethacrylate，M.W. 1000) 溶於 DPBS 中。

圖 1-11 光蝕刻法製造水膠微組件示意圖 [12]。

圖 1-12 形成不同的水膠微組件並排列 [12]。

1.2.3 應用

水膠微組件之合成與排列主要常用於應用在藥物檢測 [14-18]、建構生物組織 [19-21]。

使用微囊胞形成法時，若將細胞置入於水膠液滴中，可當作生物反應或幹 細胞分析之載體。光刻法的解析度為亞微米等級至毫米等級，由於細胞的直徑 大約為 10 μm，使用光刻法可製作出與細胞同等級大小的微組件或比細胞大許 多的生物組織。微塑形法可用於建構三維生物組織，只需要先建造一層水膠犧

牲層，建立出圖形後，再將犧牲層利用化學方法溶解取出即可。若使用兩個或 多個入口的微流道，可製造出含有不同濃度梯度的水膠液滴。若使用含有細胞 的水膠溶液搭配光刻法，使用光罩固化某個特定區域的水膠溶液，便可取出某 特定區域的細胞。

2004 年，Robert Langer [15] 使用生物相容之材料 (Poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA)，並在材料上建造出許多孔洞，藉此作為生物藥品檢測之平台。

圖 1-13 生物藥品檢測平台 [15]。

2006 年，Robert Langer [16] 又提出另一種於生物組織的應用，如圖 1-14，

將透析膜包裹水膠，並於水膠中加入細胞與生長因子等生物材料，形成微囊胞結 構。或是利用水膠建構較大的結構，並與細胞共同培養。

圖 1-14 水膠於生物組織之應用 [16]。

大多數合成及排列微組件所使用的材料為聚合物居多，尺寸多為 μm 至 mm 尺寸，而形狀為圓形、方形、長條形或六角形居多。大致上來說，使用自動 組裝的方式組成微結構，需使用光或磁場驅動的技術；利用表面性能及形狀的 自組裝方式，需用到化學或生物的技術，其實現方式也較難；而在顯微鏡下利 用手動組裝的方式較考驗的是實驗人員的技術。合成及排列微組件可達到異材 質的結合，若在液態材料中加入粒子或細胞，更可達到跨尺度微組件的結合。

形成異質微結構後，可應用於生物藥物檢測或生物組織之建構。

1.3 研究動機

微組件的形成常常受限於其合成方法，例如：微囊胞形成法的缺點在於其 形成微組件的形狀，於其產生過程中只能產生球型液滴；光刻法只能適用於光 固化材料。微塑形方法雖然可適用於多種材料，且沒有形狀的限制，但其缺點 是無法像光蝕刻方法一樣輕易的改變圖形，若是要改變圖形，就必須重新製造 新的模具。

本研究提出在電控微流體平台上進行液體微組件及固體微組件的組裝，不 同的液滴以及液滴的內容物都會影響微組件的性質，透過進行微組件的合成或 組裝，最終可得到一個含有異材質特性的微結構。若使用含有細胞的水膠進行 微組件的合成或組裝，即可得到一個三維的生物組織。藉由操控含有不同粒子 的水膠，並在電控微流體平台上合成或組裝微組件，本研究希望能夠提出一個 新的建構異材質組織且能夠創造三維生物組織的方法，在此技術下，我們不需 使用精密的光學儀器或微型機器人，即可達到合成微組件的目的。

第二章 理論介紹

本章節將介紹介電濕潤及介電泳理論之公式推導及應用，應用範圍包含可調 節鏡頭、電子顯示、DNA 和蛋白質分析以及生物醫學診斷 [24-26]。應用的原理 主要為在電控微流體平台上操控、混合或分離液滴。其操控液體的體積極小，大 約在奈升或更小的等級 [27-32]。

2.1 介電濕潤理論

使用電控微流體平台可使樣品的量微小化，即不需要太多的樣品也能夠達到 同樣的效果。而微小化最顯著的影響是表面積與體積的比例會大幅提升，因此表 面能的控制成為了微流體領域的重要元素 [33-37]。對於接近毫米尺寸的液滴，

毛細力為主要的主導力 [38-39]。在操控液滴時，液氣介面和固液介面都會被影 響 [37]，且液滴中的介面活性劑濃度梯度和溫度梯度都會影響表面能的梯度。液 滴的局部濕潤現象會造成表面能分布不均，導致液滴會調整他們的形態來達到最 穩定的能量分配 [40-42]。電濕潤現象可藉由電訊號的控制，使液滴的接觸角有 數十度的改變，即使接觸角切換多次後，現象也非常穩定 [43-44]，因此液滴可 以自由地在表面上沿著我們定義的圖形移動，液滴可以被分割、合併和混合。

1875 年 Gabriel Lippmann 發表了電毛細管現象 [45]，他發現汞與導電液體 的毛細下降會隨著施加在汞和導電液體的電壓而改變。他不只擬定了電毛細現象 的理論，也利用這些理論發展了許多應用，例如：靜電計以及電動馬達 [46]。

Lippmann 及其後人致力於研究電解質水溶液與汞直接接觸或汞液滴接觸絕緣體 的現象。當時遇到最大的困難是，當施加於液體的電壓超過幾百毫伏時，水會產 生電解現象。直到 1993 年 Berge [47] 提出用一層薄絕緣層將導電液體和電極分 開以解決電解問題的概念，這也成為現在人們熟悉的介電濕潤。

在電濕潤現象中，最常見的模式是使固體基板上的液體產生部分濕潤的現象。

在大部分的應用中，液滴的大小通常為 1 mm 或更小。周圍環境介質可空氣或與 液滴不相溶的液體，通常是油。在上述條件下，Bond 數 (用於比較重力與表面張 力的相對大小) 為

Bo = �g∆ρR²⁄ ， (1) σlv

其值會小於 1，表示重力相對於表面張力的大小較小，因此在此系統中重力可忽 略。在沒有外部電場的影響下，液體的表徵現象只由表面張力決定。

圖 2-1 一般電濕潤的設置。液滴濕潤現象，虛線處為施加零電壓，實線處為施 加高電壓的狀態 [48]。

一個液滴的自由能 F 為一可表示液滴形狀的函數。F 為三相介面面積 (𝐴𝐴_𝑖𝑖) 與對應的表面能 (𝜎𝜎𝑖𝑖) 的乘積總和再減去一個固定體積限制下的修正項 (𝜆𝜆𝜆𝜆)。三 相包含了固體基板 (s)、液滴 (l)以及周圍環境介質 (以氣態 (v) 表示)。表面能 包含了固液介面 (σsl)、液氣介面 (σlv) 及固氣介面 (σsv)。

𝐹𝐹 = 𝐹𝐹_if= ∑ 𝐴𝐴_{𝑖𝑖 𝑖𝑖}𝜎𝜎_𝑖𝑖− 𝜆𝜆𝜆𝜆。 (2) 上式中的 𝜆𝜆 是用來修正定體積下對自由能的限制，也等於液氣介面上的壓 力變化。經過化簡後可知在一平衡態下的液滴會滿足以下兩個式子，

∆𝑝𝑝 = σ_lv�_𝑟𝑟¹

1+_𝑟𝑟¹

2� = σ_lv∙ 𝜅𝜅， (3) 其中假設 ∆𝑝𝑝 為一常數，不隨介面上的位置改變，𝑟𝑟1 和 𝑟𝑟2是液體與表

面接觸的主曲率半徑，𝜅𝜅 為定值平均曲率。因此對均值的基板而言，在 平衡態下液滴會呈現球狀。

cos 𝜃𝜃𝑌𝑌 =^𝜎𝜎sv_σ^−σsl

lv ， (4) 為 Young’s equation，此式將楊氏平衡接觸角 (𝜃𝜃𝑌𝑌) 與表面能結合。除了能量的表 示方式外，𝜎𝜎_i 也可以用表面張力的方式來表示，在這個概念下，液滴與基板之間 的狀態可用三相介面線上的拉力來表示。

圖 2-2 在介面線上的力平衡 (𝜃𝜃Y大約為30˚)。

根據之前的理論推導，最後總結為 Young-Lippmann equation

cos θ(V) = cos θ₀+_2γt^ε0εV²， (5) 其中 θ₀ 為液滴在基板上的初始接觸角，𝜀𝜀₀ 為真空介電常數，𝜀𝜀 為液體介電常 數，V 為施加在液體上的電壓，θ(V) 為施加電壓後的液體接觸角。

若施加的交流電訊號頻率大於液體的響應時間 (例如：施加幾百 Hz 的頻率 於 mm 大小的液滴上)，則液體的變化只和施加電壓的時間長短有關。Lippmann equation 的其中一個基本假設是將液體視為完美的導體，但若電訊號的頻率提高 時，此假設將不適用。若頻率大於一臨界值 (𝜔𝜔𝑐𝑐)，液體內的離子會隨著外加電場 而移動，屏蔽了液體內部的電場。當電訊號頻率遠小於 𝜔𝜔_𝑐𝑐 時，液體可視為完美 的導體，當電訊號頻率大於 𝜔𝜔𝑐𝑐 時，液體則視為介電質，此時操控液體的力就是 介電力。一個均勻液體的臨界頻率 (Critical frequency) 可表示為

𝜔𝜔𝑐𝑐 = ^𝜎𝜎1 ， (6)

其中 𝜎𝜎1 為液體的導電率，𝜀𝜀1 為液體的介電常數。液體的臨界頻率不只與液體 本身的特性有關，也與絕緣層的電子特性有關。圖 2-3 為接觸角於頻率的關係圖。

圖 2-3 接觸角 θ 與頻率關係，導電率分別表示為 1850 μS/cm (方形)、197 μS/cm (圓型)、91 μS/cm (菱形)、42 μS/cm (三角形)，而 𝜃𝜃𝑌𝑌 與 𝜃𝜃 以虛線及實

線表示 [49]。(絕緣層：厚度 1 µm 的熱生長氧化矽 (Thermal oxidation of silicon)，疏水結構則為單層的十八烷基 (Octadecyltetrachlorosiloxane)。)

2.2 介電泳之理論

1894 年，Pellat 在實驗中發現介電液體會傾向移動至電場密度較高處 [51- 52]，此為現在介電泳理論之基礎。1955 年，Sumoto [53] 將棒狀電極部分浸置於 介電溶液中，並在棒狀電極上施加數千伏的直流電，此時介電溶液會沿著棒狀電 極爬升，這個現象被稱為 Sumoto 效應。1961 年，Pickard [54] 使用多種介電溶 液以及不同材質的棒狀電極，對棒狀電極施加交流電或直流電，驗證 Sumoto 效 應。1973 年，Watanabe [55] 使用不同的介電溶液進行上述實驗，發現介電溶液 沿著棒狀電極爬升的高度與施加於電極上的電壓平方成正比，且液體的受力與流 體的介電常數也成正比。

1978 年，Pohl 表示一個有介電極性的粒子在不均勻電場中的移動情形為介 電泳現象 [56-57]。介電粒子在不均勻電場中，會受到電場的誘導在粒子的兩端 產生大小相同但電性相反的電荷，此為電偶極 (Electric dipole)。若粒子的可極化 程度 (Polarizability) 比外在環境介質大時，粒子會往強電場的方向移動，此為正 介 電 泳 現 象 (Positive dielectrophoresis ， pDEP) ； 若 粒 子 的 可 極 化 程 度 (Polarizability) 比外在環境介質小時，粒子會被強電場排斥，往弱電場的方向移 動，此為負介電泳現象 (Negative dielectrophoresis，nDEP) [58]，如圖 2-4。

圖 2-4 粒子於不均勻電場中之負介電泳現象及正介電泳現象 [58]。

可將液體與固體基板模擬為電阻及電容組成的電路 [50]，如圖 2-5，也可用 電路解析的方式得知截止頻率 (𝑓𝑓_𝑐𝑐)

𝑓𝑓𝑐𝑐 =_{2𝜋𝜋𝑅𝑅} ¹

𝐿𝐿(𝐶𝐶𝐿𝐿+𝐶𝐶𝐷𝐷)， (7) 其中 𝑅𝑅𝐿𝐿、𝐶𝐶𝐿𝐿 和 𝐶𝐶𝐷𝐷 可取代為液體和介電層的介電參數，

𝑓𝑓_𝑐𝑐 = ^{𝜎𝜎𝐿𝐿}

2𝜋𝜋𝜀𝜀0(𝜀𝜀𝐿𝐿+𝜀𝜀𝐷𝐷𝑑𝑑

𝑡𝑡)， (8) 其中 𝜎𝜎_𝐿𝐿 為液體導電率，𝜀𝜀_𝐿𝐿 為液體介電常數，𝜀𝜀_𝐷𝐷 為介電層的介電常數，𝑑𝑑 為液 體的厚度，𝑡𝑡 為介電層的厚度。

施加不同頻率之交流電訊號也會造成不同的介電泳力，根據

𝑓𝑓𝐶𝐶𝐶𝐶 = ^𝜀𝜀∗^{𝑝𝑝∗−𝜀𝜀𝑚𝑚∗}∗ ， (9)

其中

𝜀𝜀𝑝𝑝,𝑚𝑚∗ = 𝜀𝜀0𝜀𝜀𝑝𝑝,𝑚𝑚− 𝑗𝑗^𝜎𝜎_{2𝜋𝜋𝜋𝜋}^{𝑝𝑝,𝑚𝑚}， (10)

其中 𝜀𝜀_{𝑝𝑝,𝑚𝑚} 和 𝜎𝜎_{𝑝𝑝,𝑚𝑚} 為粒子或液體的介電常數及導電度，計算出的 𝑓𝑓_{𝐶𝐶𝐶𝐶} 有實部

與虛部，而實部的值則是判斷介電濕潤或介電泳現象的標準。若實部的值大於 零，則粒子的運動為正介電泳現象；若實部的值小於零則為負介電泳現象。如 錯誤! 找不到參照來源。所示為頻率與 𝑓𝑓𝐶𝐶𝐶𝐶 實部之關係圖，可從圖中曲線觀察 出粒子與細胞之介電泳力的頻率分界。

圖 2-5 電控微流體平台的簡單電路圖 [50]。

1983 年，Margulies [59] 提出在兩平行板電容中插入介電物質，並在兩平行 板上施加一固定電壓，發現介電物質會因為施加電壓而朝平行板內部移動。

圖 2-6 在兩平板中插入介電物質之示意圖。l 為平行板之長度，w 為平行板的寬 度，d 為兩平行板的間距，x 為介電物質進入平行板的深度，E 為電場 [59]。

根據上圖的概念進行介電泳之公式推導。實驗中在平行板中施加電壓 V，根 據虛功原理，可利用下式表示電極化力：

𝐹𝐹(𝑥𝑥) = ∇𝑈𝑈(𝑥𝑥)𝑉𝑉=𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐， (11) 其中𝑈𝑈(𝑟𝑟)為系統靜電能。當兩平行板間的間距遠小於平行板的長度及寬度時，可 忽略平行板的邊界效應，因此電場便被侷限在兩平行板中。我們將平行板中的介 電物質之能量定義為𝑈𝑈𝐷𝐷(𝑥𝑥)，而未包含介電物質的空間之能量定義為𝑈𝑈𝑣𝑣(𝑥𝑥)。平行 板電場在真空介質中可儲存的能量為

𝑈𝑈 =¹₂𝑄𝑄𝜆𝜆 =¹₂𝐶𝐶𝜆𝜆² = ^𝑄𝑄_2𝐶𝐶²， (12) 又

𝑄𝑄 = 𝜎𝜎𝐴𝐴，𝐶𝐶 = 𝜀𝜀0𝐴𝐴

𝑑𝑑， (13) 可得知

𝐸𝐸 = _𝜀𝜀^𝜎𝜎

0， (14) 其中 𝑄𝑄 為電荷量，𝐶𝐶 為電容，𝜆𝜆 為施加於兩平行板上的電壓，𝐸𝐸 為電場，𝜀𝜀0 為 真空介電常數，𝑑𝑑 為兩平行板之間距。將上述式 (12) 和式 (13) 代入式 (14) 後 可得

𝑈𝑈

𝑣𝑣𝑐𝑐𝑣𝑣 =¹₂𝜀𝜀₀𝐸𝐸²。 (15) 平行版電場的能量可表示為

𝑈𝑈 = 𝑈𝑈_𝐷𝐷(𝑥𝑥) + 𝑈𝑈_𝑣𝑣(𝑥𝑥)。 (16) 在平行板中施加一固定電壓時，兩板間的電場也會是固定值，電場可表示為

|𝐸𝐸| =^𝑉𝑉_𝑑𝑑。 (17) 在兩平行板中，介電物質的體積為 𝑥𝑥𝑑𝑑𝑥𝑥，無介電物質的空間體積為 (𝑙𝑙 − 𝑥𝑥)𝑑𝑑𝑥𝑥，則式 (15) 可寫為

𝑈𝑈 = ¹₂𝑥𝑥𝑑𝑑(^𝑉𝑉_𝑑𝑑)²[𝜀𝜀𝑥𝑥 + 𝜀𝜀0(1 − 𝑥𝑥)]， (18) 其中 𝜀𝜀 為介電物質之介電常數，將能量表示式對 𝑥𝑥 微分即可得到介電物質的電 極化力

𝐹𝐹_𝑥𝑥(𝑥𝑥) = (𝜀𝜀 − 𝜀𝜀₀)^{𝑤𝑤𝑣𝑣}_2𝑑𝑑²。 (19) 接著開始探討介電物質為什麼會沿著電場的垂直方向移動。驅動介電物質移 動的力是由邊緣的電場效應使介電物質產生極化作用造成的，圖 2-7 顯示介電物 質在兩平行板中所受到的電場，可看見平行板內部的電場較為均勻，左側邊緣的 電場呈現不均勻的狀態，因此導致介電物質內部產生極化現象。於圖中所特別標 示出的兩處可看見物質受到電場極化，在物質粒子兩端誘導出帶正電及負電的電 偶極，而電偶極又受電場吸引產生了電極化力。將這兩處的電極化力分解成 x 分 量及 y 分量，其中 y 分量的力為大小相同、方向相反，因此相消後不會對介電 物質產生作用力；而 x 分量的力方向相同，因此互相疊加後會對介電物質產生 一個向右的作用力。而這對粒子的受力模式可適用於所有介電物質中的分子，因 此介電物質插入兩平行板並受到電場影響後，介電物質會往平行板內部移動。

圖 2-7 邊緣電場產生的效應使介電物質往平行板內部移動 [59]。

1969 年，Melcher [60] 提出物質在電磁場中均存在馬克斯威爾應力張量 (Maxwell stress tensor)，馬克斯威爾應力張量可使物質與周圍環境之介面達到應 力平衡。

圖 2-8 物質與周圍環境介面示意圖。其中 𝑃𝑃₀ 為施加於液體表面的大氣壓力，

𝑃𝑃 為液體表面壓力，𝑇𝑇𝑒𝑒 為馬克斯威爾張量，𝜀𝜀0 為真空中介電常數，𝜀𝜀 為液體 介電常數 [60]。

以圖 2-8 中虛線框中的單位面積來看，其力平衡方程式為

𝑃𝑃 = 𝑃𝑃0− 𝑇𝑇𝑒𝑒， (20) 則液體與周圍環境介面之壓力差為

∆𝑃𝑃 = 𝑃𝑃 − 𝑃𝑃₀ = −𝑇𝑇_𝑒𝑒 = −¹₂(𝜀𝜀 − 𝜀𝜀₀)𝐸𝐸²。 (21) 壓力差乘上作用面積後，即為表面所受的力

𝐹𝐹_𝑥𝑥(𝑥𝑥) = (𝜀𝜀 − 𝜀𝜀₀)^{𝑤𝑤𝑣𝑣}_2𝑑𝑑²， (22) 其結果與式 (19) 相符。

螢光粒子於水膠溶液中之移動使用的是介電泳的機制，依照上述的理論，螢 光粒子是一個具有介電極性的粒子，以我們的實驗來說，當粒子受到不均勻電場 影響，粒子會移動至電場較弱的位置，此為負介電泳現象。－水膠微組件於液體 溶液中之移動所使用的也是介電泳的機制，依照上述的理論，微組件為一具有介 電極性的物質，當微組件在液體溶液中感應到不均勻之電場，便會隨著電場的強 弱方向移動。圖 2-9 展示的是以負介電泳力在液體中移動固態的微組件，當開啟 紅色方框的電極時，虛線方框的電極處即為電場較弱之位置，因此微組件會移動 至虛線方框的電極處。圖 2-10 是以正介電泳力操控液體中之微組件，因此開啟 紅色方框電極，微組件即往電場強的方向移動。移動的機制取決於微組件本身以 及外圍流體的介電性質，藉由施加不同頻率的電壓也可以達到不同的移動機制。

圖 2-9 以負介電泳力操控液體中之固體微組件。

圖 2-10 以正介電泳力操控液體中之固體微組件。

2.3 電控微流體平台之應用

介電濕潤技術具備反應時間快且可以以低電壓操控之優點，因此於 2003 年，

飛利浦 (Philips) 公司 [61] 以介電濕潤技術製造出電子紙。在電控微流體平台 上可輕易的改變液滴的接觸角，使液滴形成不同曲率半徑的形態，因此可作為可 變焦距之液態透鏡 [62]。如圖所示，將電壓施加於電極時，因液滴接觸角改變造 成液滴表面的曲率改變，造成光線穿過液滴的聚焦位置也隨之改變，利用此技術 即可利用電壓來調整焦距之長短，成為可調焦聚之透鏡。因其可快速改變焦聚的 特點，有望取代傳統光學系統之元件。

圖 2-11 利用介電濕潤技術製造之可變焦聚透鏡 [62]。

2008 年，S. –K. Fan [50] 團隊結合介電濕潤以及介電泳之技術，操控並分離 含有神經細胞的液滴。如圖，先利用介電濕潤將液滴操控至中央柵狀電極的位置，

接著使用介電泳力將液滴中的細胞聚集到右側，最後再利用介電濕潤將左右兩邊 的液滴分離。

圖 2-12 利用介電濕潤與介電泳之技術分離細胞 [48]。

2004 年，Fair [63] 團隊設計一焦磷酸測序晶片，如圖 2-13。可在晶片上移 動核苷酸、螢光素酶等生物檢測體，其生物檢體可在晶片上反應且進行光學檢測，

將複雜的生物檢測整合於晶片上。形成微全分析系統，具有反應時間快、樣本需 求量少且晶片體積小之優點。

圖 2-13 焦磷酸測序晶片 [63]。

第三章 實驗製程、儀器及系統介紹

本章節將介紹實驗中使用的微流體晶片的製程、儀器以及實驗架設。

3.1 電控微流體晶片製程

本研究中的微流體晶片其最小尺寸為微米等級，使用的基材為鍍上氧化銦錫 (Indium Tin Oxide, ITO) 的玻璃。經過旋圖光阻、軟烤、硬烤、曝光、顯影、定 影、蝕刻等步驟後，即完成微流體晶片的製程。

 清洗晶片

利用鑽石切頭切好所需大小的 ITO 玻璃後，將 ITO 玻璃放入丙酮中，利用 超音波震盪機震盪五分鐘，再將 ITO 玻璃取出放入異丙醇中，利用超音波震盪 機震盪 5 min。將 ITO 玻璃從異丙醇中取出，並用去離子水 (DI water) 將玻璃 上殘留的異丙醇沖洗乾淨，再用氣槍將 ITO 玻璃表面的水滴吹乾，確認玻璃上 沒有水滴及水痕後，放置於 150ºC 的加熱器上，將多餘的水分烤乾。

 附著層塗佈

為了讓光阻能夠完整的貼附於 ITO 玻璃上，我們會先將一層附著層塗佈於 ITO 玻璃上。先將 ITO 玻璃分散的放置於鐵盤中央，並在鐵盤四個角落各滴上 一滴六甲基二矽氮烷 (Hexamethyldisilazane，HMDS，Alfa Aesar)，最後在鐵盤 上蓋上鋁箔紙，營造一個密閉的空間，並將鐵盤置於 150ºC 的加熱器上。由於 HMDS 是易揮發的材料，在高溫且密閉的環境中，空間內會充滿 HMDS 的蒸 氣，而高溫的玻璃玻璃表面上便會吸附 HMDS，形成附著層薄膜，附著層能夠 增加光阻的附著度，使之後的蝕刻製程能夠更順利的完成，提高晶片製程的良 率。

 正光阻塗佈與定義電極圖形

利用旋轉塗佈機 (Spin coater) 將正光阻 (FH-6400) 旋塗在 ITO 玻璃上。首 先先在機台上鋪上兩層鋁箔紙以及兩層無塵紙，避免塗佈時多餘的液體汙染機台。

開啟幫浦，使旋轉塗佈機可以將部分區域抽真空，晶片可以被吸附在載台上。塗 佈正光阻的參數為：先使用 1500 rpm 轉 5 s 使光阻能約略的平鋪於晶片上，再 以 3000 rpm 轉 30 s，讓光阻旋塗為我們所需的厚度，接著將晶片製於加熱器上，

以 95ºC 軟烤 (Soft bake) 5 min。利用接觸式曝光機定義晶片電極圖形，將設計好 的光罩組裝於接觸式曝光機上，以 UV 光曝光 3.5 s。曝光後放入顯影劑中顯影，

再放入去離子水中定影。

 濕蝕刻

在本實驗的晶片製程中，使用王水做為蝕刻液，王水的製備比例為硝酸 (1)：

鹽酸 (3)：水 (6)。製備時需先加水，第二加入鹽酸，最後加入硝酸，若是順序錯 誤會因為化學反應放熱導致液體噴濺，且材料均為強酸物質，務必小心。將王水 加熱至 46ºC，並將晶片放入加熱後的王水蝕刻 3 min。取出晶片確認是否每個電 極皆獨立，並無相互干涉，若還有電極兩兩互通，則再晶片放入王水中蝕刻 15 至 30 s，直至每個電極皆為獨立為止。最後將蝕刻完成的晶片放入去光阻劑中將 表面殘餘的光阻去除。

 介電層塗佈

將蝕刻完成的晶片再次清洗乾淨後，將介電材料 (SU8-2002，為一種負光阻) 塗佈於晶片上。塗佈參數為：先使用 3000 rpm 轉 10 s，接著轉速上升至 4500 rpm 轉 60 s 完成塗佈。將晶片置於加熱器上，以 95ºC 軟烤 5 min 後，以 UV 光曝光 使負光阻交聯。曝光後將晶片置於加熱器上，以 150ºC 硬烤 30 min，使光阻中多 餘的物質揮發，即完成介電層的塗佈。

 疏水層塗佈

本實驗的晶片採用 Teflon AF1600 做為疏水材料，疏水材料可增加液體的接 觸角，使電濕潤效應更顯著。塗佈參數為：先使用 1500 rpm 轉 5 s，接著轉速上 升至 3000 rpm 轉 30 s 完成塗佈。將晶片置於加熱器上，以 150ºC 硬烤 30 min，

即完成疏水層的塗佈。

3.2 實驗儀器及材料

介紹本實驗中所使用的儀器及其功能。

 正立式顯微鏡 (BX51)

正立式顯微鏡 (Upright Metallurgical Microscopes，BX51，Olympus)，包含一 組鹵素燈光源以及汞燈光源，可供一般光學觀察以及螢光觀察。與彩色 CCD (DP71，Olympus) 一起使用，透過顯示卡使影像可以傳輸到電腦，便可用電腦即 時同步觀測顯微鏡的影像。

 倒立式顯微鏡 (IX73)

倒立式顯微鏡 (Inverted Microscopes，IX73，Olympus)，包含一組鹵素燈光 源以及汞燈光源，可供一般光學觀察以及螢光觀察。搭配相位板的調整，把透過 樣本的可見光程差轉為振幅差，提高了各結構間的對比度，使樣本影像更清晰。

與彩色 CCD (DP71，Olympus) 一起使用，透過顯示卡使影像可以傳輸到電腦，

便可用電腦即時同步觀測顯微鏡的影像。

 函數/任意波形產生器

函數/任意波形產生器 (Function / Arbitrary Waveform Generator，33220A，

Agilent)，可產生任意波形及具有脈衝功能，可提供的波形頻率範圍為 1 μHz – 20 MHz。

 高壓放大器 (A-303)

高壓放大器 (High Voltage Amplifier/ Piezo Driver and Modulator，A-303，A.A.

Lab-Systems)，可將訊號放大 20 倍，工作頻率為 450 kHz，最大輸出電壓為正負 200 V，即 400 Vpp。用於放大波形產生器的訊號，使電訊號可以在電控平台上驅 動微流體。

 高壓放大器 (A-304)

高壓放大器 (High Voltage Amplifier/ Piezo Driver and Modulator，A-304，

A.A. Lab-Systems)，可將訊號放大 40 倍，工作頻率為 250 kHz，最大輸出電壓 為正負 400 V，即 800 Vpp。用於放大波形產生器的訊號，使電訊號可以在電控 平台上驅動微流體。

 示波器

示波器 (Oscilloscope，DSO1004A，Agilent)，有四個類比通道，最大可偵測 頻率為 60 MHz。

 加裝帶狀電纜連接器

加裝帶狀電纜連接器 (CC-125-FRC，Yokowo)，一端有 26pin 可用於連接電 訊號纜線，另一端可連接晶片上，使電訊號與晶片連接，進而運用電訊號操控晶 片上的液體。

圖 3-1 加裝帶狀電纜連接器。

 繼電器

PCB 繼電器 ( LU-5，RAYEX)，其功能為控制電訊號是否通過，決定電壓是 否輸出到晶片上，進而操控液體，可當作開關使用。接腳 1 連接至放大器的輸出 端，接收由放大器輸出的類比訊號。接腳 3 和接腳 4 連接到 DAQ USB-6509 (National Instrument)，此時 DAQ USB-6509 輸出的數位訊號會流經繼電器的電 感，達到控制繼電器開關的目的。接腳 5 和接腳 6 為繼電器的輸出端，將訊號輸 出至實驗用的電控微流體晶片上。

圖 3-2 PCB 繼電器 (LU-5)。繼電器之內部電路圖。

 數據截取裝置

數據截取裝置 (Data acquisition，DAQ USB-6509，National Instrument)，使 用 I/O - USB 介面，有 96 個雙向 I/O 通道 (相容於 5 V TTL/CMOS)，工業函式 集包含變更偵測、電源開啟狀態、濾波與監測計數器。

圖 3-3 數據截取裝置 (DAQ USB-6509)。

 多波長可自定義圖形光源

可自定義圖形光源 (Multiwavelength Patterned Illuminators，Polygon400，

Mightex)，將來自光源的光傳遞到數位光源處理技術 (Digital Light Processing，

簡稱 DLP) 平台後，在通過顯微鏡到達樣本，因其內部有複雜的光學系統，可將 光源改變成特定的圖形。在 2 倍的物鏡下，其照明範圍為 3.9 mm × 7 mm，解析 度為8.1 μm。在經過內部的光學系統後，只有波長 400 nm 以上的光才會到達樣 本。搭配原廠設計的軟體，可在電腦上自由的改變圖形。

圖 3-4 可自定義圖形光源 (Polygon 400)。

 點光源 UV 固化機

點光源 UV 固化機 (Spot UV Light Curing System，Omnicure S2000，Lumen Dynamics)，最高輸出為 30W/cm²，其光源為廣波長光源，可搭配不同的濾光片 達到所需的波長，目前使用的濾光片為 320 - 500 nm。可自由調整所需的光強度 以及曝光時間，照度調整範圍為 0.2-40 W/cm²。由於此固化機為點光源，因此搭 配原廠的透鏡 (Double lens focusing adapters，Lumen Dynamics) 使用，可將光源 分散為面積較大且強度均勻的光源 (直徑約 3 cm)。搭配原廠的照度計 R2000 (UV Radiometer and Calibration Meter，Omnicure R2000，Lumen Dynamics) 使用，

可自動校正 S2000 之顯示強度。其可量測的波長範圍為 250-1000 nm。以 5 mm 光導管量測時，可量測照度範圍為 5-60000 mW/cm²，精確度為 5%。

 純水機

純水機 (Purelab ultra，ELGA)，有監控濾心電阻的功能，可過濾水中大部 分的離子雜質，使水的電阻值可維持在 18.2 MΩ，最大流量為 2 L/min，提供實 驗中所使用的水。

 半微量分析電子天平

半微量分析電子天平 (Laboratory Precision Blance，XS125A/-SCS，Precisa)，

解析度為 0.0001 g，最大秤重量為 305 g。用於秤量實驗中所需之材料與試劑，

具有可對開的玻璃防風罩，使秤量時不會受到外界影響，並具有校正功能，秤盤 底座直徑為 8 cm。

 冷凍乾燥機

桌上型冷凍乾燥機 (Freeze Dryer，FD2-6P，金鳴實業有限公司)，包含真空 幫浦、真空閥、水分凝結器、散熱機組以及控制面板。常用於生物醫學科技材料 的真空乾燥，使用時溫度可達到 -40ºC，並開啟真空幫浦使壓力維持在 300 mtorr 以下。

 生物離心機

生物離心機 (Centrifuge，Heraeus Primo R，Thermo Scientific)，在本實驗中 用於離心細胞。可調整轉速、加速度、溫度及離心時間，轉速範圍為 300-15000 rpm，有十段加速可供調整。可設定離心時間為 0-10 hr，可同時離心 6 支 15 mL 或 50 mL 的離心管。

 螢光粒子

綠色和紅色螢光粒子 (Dyed Green Aqueous Fluorescent Particles，G0100，

Fluoro-Max)、(Dyed Red Aqueous Fluorescent Particles，R0100，Fluoro-Max)，其 粒子之平均直徑為 1 µm，粒子材料為聚苯乙烯 (Polystyrene)，以 1% 濃度存在

於去離子水中 (含有介面活性劑)。綠色螢光粒子之激發波長為 468 nm，發光波 長為 508 nm；紅色螢光粒子之激發波長為 542 nm，發光波長為 612 nm。儲存 於 4ºC 冰箱中。

綠色和紫色螢光粒子 (Fluorescent polymer-Dragon green，FS04F，Bangs Laboratories, Inc.)、(Fluorescent polymer-Plum purple，FS05F，Bangs Laboratories, Inc.)，綠色螢光粒子平均直徑為 1.9 µm，紫色螢光粒子平均直徑為 2.1 µm，粒 子材料為聚苯乙烯 (Polystyrene)，以 1% 濃度存在於去離子水中 (含有介面活性 劑)。綠色螢光粒子之激發波長為 480 nm，發光波長為 520 nm；紫色螢光粒子 之激發波長為 360 nm，發光波長為 420 nm。儲存於 4ºC 冰箱中。

3.3 實驗系統介紹

3.3.1 電控微流體晶片系統

如圖 3-5 所示，電控微流體平台包含類比訊號輸出系統、數位訊號輸出系統 以及觀察平台三個部分。

圖 3-5 電控微流體平台流程圖。

類比訊號輸出系統包含函數產生器、訊號放大器以及示波器，函數產生器產 生的類比訊號經由高壓放大器將訊號放大後，將訊號傳至 PCB (Printed circuit

board) 板上，此訊號即為電壓的輸出。示波器用於隨時監測輸出的波形和電壓值 是否為實驗所需。

數位訊號輸出系統包含電腦、電腦內的 LabVIEW 商用套裝軟體以及 DAQ USB-6509，前述系統可將數位訊號輸出至實驗室自己焊接的 PCB 板 (Relay board) 上，控制 PCB 板上繼電器的開關，使用的繼電器為 LU-5 (RAYEX)。

當 PCB 板接收了類比訊號及數位訊號後，就能夠利用調整函數產生器的輸 出參數以及控制 LabVIEW 程式內的開關，達到控制晶片上電壓輸出的功能，即 可開始進行實驗。實驗中利用顯微鏡及其搭配的 CCD，使我們能在電腦上直接 觀察晶片上的液體移動，並利用電腦的顯微鏡相關程式儲存影片及圖片。

3.3.2 水膠製備

PEGDA Mn 575 (Polyethylene(glycol) diacrylate，#MKBN7800V，SIGMA)，

PEGDA Mn 250 (Polyethylene(glycol) diacrylate，#MKBS1916V，SIGMA)，依照 平均分子量分為兩種，為水溶液型態，須存放在 4ºC 的冰箱中。

光起始劑 (Photo initiator，I2959，Mufong；Photo initiator，I819，Mufong)，

與水膠混合配置實驗所使用的水膠溶液，以 UV 波段的光照射加入光起始劑的水 膠時，會釋放出自由離子 (Free redical) 使水膠交聯成為固體，見圖 3-6。I2959 為帶有輕微味道的白色粉末，其接收波長為 320-340 nm，熔點為 86.5-89.5ºC，分 子量為 224.3。I819 為黃色粉末，其接收波長為 350-420 nm，熔點為 127-133ºC，

分子量為 418.5。

圖 3-6 PEGDA 經過 UV 光照射後之分子改變 [64]。

使用點光源 UV 固化機 (Spot UV Light Curing System，Omnicure S2000，

Lumen Dynamics) 為水膠的曝光系統。搭配原廠的透鏡使點光源擴散為均勻光源 (直徑約 3 cm)，並使用照度計 R2000 (UV Radiometer and Calibration Meter，

Omnicure R2000，Lumen Dynamics) 校正透過透鏡的光強度，使用 S2000 的定 時功能達到計時曝光的功能。

3.3.3 實驗水膠溶液製備

使用離心管裝入 2 mL 的 PEGDA，並用微量天平秤秤量 0.01 g 的 I2959 或 I819。將離心管外包裹錫箔紙避光後，再加入秤量好的光起始劑，配製成 0.5%

(w/v) 的濃度，放入 75ºC 的烘箱 30 min 使光起始劑能完全溶解在水膠中。取出 定體積的螢光粒子溶液加入 Epondorf 小管子中，使用離心機離心使粒子沉降在 底部，將上清液去除，即可得到螢光粒子。在水膠溶液中加入定量的螢光粒子，

並使用震盪機使粒子均勻的分布在溶液中。

3.4 實驗設計及目的

3.4.1 光罩設計

光罩使用 AutoCAD 繪製。實驗中利用中間的小型方塊電極拉出數顆小型 的方塊液滴，並在 3 × 5 的方格中排列出不同的水膠陣列結構。每一個方格電極 的大小為 1 mm × 1 mm，方格間的間距為 20 μm，連接方格的導線 (未出現於示 意圖中) 為 100 μm。

(a)

(b)

圖 3-7 實驗中使用之光罩圖形。(a) 方形電極。(b) 六角形電極。

(比例尺：1 mm)

使用介電泳力排列水膠内的螢光粒子，在電極圖案中設計細微圖形，如圖 3- 8 所示，有六角形狀、圓點狀、方格狀、放射圖形及長條圖形，其中電極內部的 白色區塊為無電極的部分。每一個方格電極的大小為 1 mm × 1 mm，方格間的間 距為 20 μm，連接方格的導線為 100 μm。圖 3-9 中，(a) 的線寬為 45 μm，(b) 的線寬為 20 μm，(c) 的圓點直徑為 60 μm，(d) 的線寬最寬處為 35 μm，(e) 的 方格之長寬為 40 μm，方格之間距為 20 μm。

圖 3-8 實驗中使用之光罩圖形。(比例尺：1 mm)

圖 3-9 電極內部圖形之放大圖。(比例尺：250 μm)

3.4.2 實驗流程

首先在晶片下板的左右兩側貼上厚度為 100 μm 的雙面膠，以定義兩板之間 的高度，並兼具固定上下兩板的功能。計算電極上儲存槽的大小，以本實驗所使 用的電極圖形來說，儲存槽的大小為 4 mm × 2 mm，若兩板間高度為 100 μm，

則儲存槽的可容納液體體積為 0.8 μL。將前述製備含有兩種不同螢光粒子的水 膠溶液以微量吸管取出後，滴在電極的儲存槽處，接著把上板蓋上並固定，確認 兩板是否完全貼合不會移動。將加裝帶狀電纜連接器與晶片結合，接上電控微流 體的操控系統。利用 LabVIEW 的程式控制電極的開與關，藉此控制液滴的形成、

分割與結合，並將水膠移動至特定位置。圖 3-10 為電控微流體平台之示意圖，

玻璃的厚度為 0.7 mm，ITO 電極厚度為 100 nm，介電層厚度為 1.1 μm (SU-8)，

殊水層厚度為 55 nm (Teflon)。

圖 3-10 電控微流體平台結構示意圖。

如圖 3-11 所示，將水膠移動至特定位置後，再同時將中央的四個電極同時 打開，此時四個液滴就會同時排列至中央的四個電極上，排列成 2 × 2 的水膠陣 列，此時立刻使用 UV 光將水膠固化，就可以得到一個含有兩種螢光粒子排列 的水膠結構。

圖 3-11 水膠排列方法示意圖。

若在排列完水膠後，使用可自定義圖形之 UV 光源照射出不同形狀的 UV 光，

如圖 3-12 為十字形狀，就可以得到含有兩種螢光粒子排列的十字形水膠結構。

圖 3-12 水膠排列後以特定圖形 UV 光照射固化之示意圖。

實驗中也嘗試排列更多液滴，如 3 × 3 的方格，見圖 3-13，排列方式較 2 × 2 的方格複雜許多，過程中必須極力避免各個液滴彼此互相接觸。將液滴控制 到橫跨相鄰兩電極的位置，避免液滴碰觸到其他的電極，而與其他液滴融合。

圖 3-13 多個水膠液滴排列之示意圖。

利用電極上的微小圖形排列水膠中的螢光粒子，並利用方形的電極移動液滴，

排列成 2 × 2 的水膠陣列後，利用可自定義圖形之 UV 光源照射出中空的六角形 光源，形成一個跨尺度排列的水膠微組件。

水膠與螢光粒子排列後，使用六角形狀之 UV 光源照射使水膠交聯。

第四章 結果與討論

4.1 水膠排列

本實驗運用了可自定義圖形之 UV 光源來產生特殊圖形之光源，圖 4-1 顯示 了經過可自定義圖形之 UV 光源照射後所固化之水膠結構 (100% PEGDA Mn250，

0.5% I819)，其結構厚度為 100 μm。圖中之虛線範圍為 UV 光源照射之範圍，可 看到直角轉折處無法完全貼合圖形，因為水膠交聯為一化學反應，即使 UV 光沒 有照射到水膠，交聯部分所產生的自由基也可能會擴散到其他未照射到 UV 光的 部分水膠，造成交聯反應。

圖 4-1 使用可自定義圖形 UV 光源照射交聯後之水膠結構。(比例尺：500 μm)

將含有螢光粒子之水膠液滴 (100% PEGDA Mn250，0.5% I819) 排列至特 定位置，如圖 4-2 (b) 所示，此時液滴會同時佔據兩個方格電極以避免與相鄰的 水膠液滴互相接觸，再將中央的 6 個方格電極同時開啟，即可讓 6 個水膠液滴 同時排列至中央，形成 2 × 3 水膠陣列結構。

圖 4-2 2 × 3 水膠陣列。(比例尺：1 mm)

利用上述之方法，將含有螢光粒子 (Green-G0100，Fluoro-Max；Red-R0100，

Fluoro-Max) 之水膠溶液 (100% PEGDA Mn575，0.5% I2959) 先排列至特定位置 並避免相鄰液滴互相接觸並融合，即可得到不同排列的水膠陣列結構。圖 4-3 為 1 × 3 水膠陣列結構，圖 4-4 為 2 × 2 水膠陣列結構，分別使用兩種不同分子量的 水膠 (PEGDA Mn575，PEGDA Mn250)，圖 4-5 為 3 × 3 水膠陣列結構。

圖 4-3 1 × 3 水膠陣列。(比例尺：500 μm)

圖 4-4 2 × 2 水膠陣列。(比例尺：1 mm)

圖 4-5 3 × 3 水膠陣列。(比例尺：1 mm)

利用前述之理論，先將水膠溶液 (100% PEGDA Mn250，0.5% I819) 排列至 相鄰的兩個電極上，其操控環境為空氣，同時開啟中間兩個電極使兩側的液滴同 時聚集至中央，操控液滴之電訊號參數為 1 kHz，20-80 Vpp，方波，並立刻在兩 個液滴的中心使用可自定義圖形之 UV 光源照射出十字形狀的 UV 光，如圖 4-6 (a) 所示。曝光後將晶片的兩板拆開，並用去離子水將未固化的水膠溶液沖洗掉，

便會得到十字形狀的水膠結構，如圖 4-6 (b)。因左右兩個液滴含有不同顏色的螢 光粒子，使用螢光顯微鏡觀察，利用不同濾鏡得到不同顏色的影像，再將兩個影 像疊合，即可如圖 4-6 (c) 可看到水膠的左半部與右半部因含有不同的螢光粒子 (Dragon green-FS04F ， Bangs Laboratories, Inc. ； Plum purple-FS05F ， Bangs Laboratories, Inc.) 而呈現不同的顏色。

圖 4-6 排列水膠液滴後，以可自定義圖形之 UV 光源曝光。(a)以可自定義圖形 之 UV 光源在兩個液滴結合的位置照射十字形狀的 UV 光。(b) 可見光下之十字

形狀水膠結構。(c) 使用螢光顯微鏡觀察水膠結構，。(比例尺：500 μm)

如圖 4-7 (a)，將含有螢光粒子 (Dragon green-FS04F，Bangs Laboratories, Inc.；

Plum purple-FS05F，Bangs Laboratories, Inc.) 的水膠液滴 (100% PEGDA Mn250，

0.5% I819) 先排列至適當位置，再同時將中央的四個電極打開，如圖 4-7 (b)，圖 中可看見電極有通電的區域上的液滴輪廓變深，表示液體的接觸角因為施加電壓 的緣故而改變。等四個液滴排列至中間後，使用可自定義圖形之 UV 光源在中心 處照射出一個十字形狀的 UV 光，便可曝光出十字形狀的水膠結構。結果圖由圖 4-8 (a)、(b)所示。左上角和右下角的區塊為紫色，右上角和左下角的區塊為綠色。

圖 4-7 排列 2 × 2 的水膠陣列，並以可自定義圖形之 UV 光源曝光。(a) 將水膠 排列至特定位置。(b) 同時開啟中央四個電極。(c) 水膠因電場之影響移動至中 心位置。(d) 在四個水膠液滴接觸的中心以可自定義圖形之 UV 光源照射十字

形狀的 UV 光。(比例尺：500 μm)