成大研發快訊 - 文摘 成大研發快訊 第四卷 第十期 - 2008年六月二十日 [ http://research.ncku.edu.tw/re/articles/c/20080620/2.html ]
微流體晶片之電壓驅動式樣品進樣技術
潘郁仁、楊瑞珍
* 國立成功大學工程科學系 E-mail: [email protected] Biosens. Bioelectron. 21, 1644-1648 (2006)近
年來，毛細管電泳已陸陸續續被應用在基因工程上之去氧核醣核酸 （DNA）之分離、蛋白質及生物化學領域之研究。微機電技術和生化分析結合 的產物生物晶片（Biochip），是利用分析化學和基因資訊等進行構思和設 計。藉由流體在晶片上的微管道內完成整個分析流程，此稱之為微流體晶片。 目前，微流體系統已獲得相當程度的應用。這是因為在微管道內之流體能藉由 外加電場的方式輕易的操控流體的流動。此類的微流體晶片通常是藉由電動式 操作技術去操控與分析流體，並且結合其它具有分析功能的晶片，例如即時偵 測系統（On-Line Detection），使得該晶片具有較完整的化學分析系統而達成 晶片實驗室（Lab-on-a chip）的慨念。 為了提高在微流體晶片上的檢測效率，發展連續式多功能的樣品流進料系統是一項重要的課題。因此一種 新式的微流體進裝置被發表出來，此裝置是利用水力（Hydrodynamic Forces）的方式發展出M×N連續式 微流體進樣晶片（M：檢測液注射端、N：檢測液出口端）。藉由兩側包覆流體（Sheath Flows）對樣品 流（Sample Flow）的擠壓造成水力集中效果，而迫使中央樣品流的帶寬縮減。同時利用兩側包覆流體對 樣品流的流量比例（Flow-rate-ratio）的不同，而導向不同的出口槽。如此即可在不同出口槽處同時且連 續對同樣品做不同的檢測工作。然而利用水力方式去操控流體必須製作微泵浦，且其製作與控制不易。因 此利用外加電壓的方式來驅動流體即可解決此缺陷。電動勢的集中是不同於水力的集中，後者是利用壓力 驅動流體的方式對樣品流達成集中的效果。在這篇報告中即是利用電動力的方式達成集中的目的，並且可 連續將樣品注射到預期之出口槽以便應用在生醫之檢測。這個新式的微流體進樣晶片整合了兩種重要的微 流體輸送現象，即是電動集中效應和無閥式開關切換之功能。 因此，我們設計了如圖一所示的微流體進樣晶片。左側B和D之管道為樣品進樣入口而右側管道1~5則是出 口管道，每個管道寬度 100μm、深度 20μm，而長度則為 1cm。首先我們利用這樣的晶片進行了1xN (1:單一樣品進入、N：單一樣品流入多個出口端) 的進樣實驗，藉由樣品進樣系統 (Single sample injection
system) 操作參數完成實驗，詳細情形請見圖二。我們利用圖二(a)的結果來說明這簡單的操控方法，首先 在A、C、D及E入口管道的储存槽內注射進無色之緩衝液體，接著在入口管道B的储存槽中注射進螢光染料 液體，之後依照表一之單一樣品進樣系統操作參數設定，在入口處全部提供 0.3kV 之電壓、接著在出口管 道1之出口處設為接地而其餘出口管道設為絕緣，如此在管道B的螢光液體就可以順利被傳送到出口管道1 處。然而，由於入口管道的液體都會往設為接地的出口管道1流動，因此螢光染料液體在傳送的過程也會 被兩側的緩衝液體擠壓而達到聚集的效果。圖二(b)及(c)的結果只是把接地的部份改為至管道2跟3即可達 成。 1 of 3
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圖一 (a)為經由微影蝕刻製程後完成的微流體進樣晶片 (b)為實際晶片中心位置之管道放大圖。
圖二 (a)~(c)為藉由外加電壓設定於出入口，使得樣品可連續地流入不同的出口槽 (d)則是在相同的操控條 件下微粒子也可獲得相同的結果。
為了獲得更實際上的應用，我們將此晶片擴展至MxN (M：多樣品進入、N：多樣品流入多個出口端) 進樣 裝置實驗。藉由多樣品進樣系統 (Multi-sample injection system) 適當的參數設定，即可獲得如圖三所示 之實驗結果，其原理也類似於1xN進樣裝置實驗。另外在生化分析的過程中，分析結果的好壞與樣品的混 合過程是有相當的關聯，因此如何將不同的樣品在同一時間內傳送到相同的地方進行混合程序也就成為值 得重視的部份。在此，我們還是藉由相同的微流體晶片搭配混合注射系統 (Mixing injection system) 的實 驗參數進行實驗測試，圖四即是我們獲得的實驗結果。將不同的染料放置在管道B與D的儲存槽內，分別在 出口管道1、2及3設為接地的條件，就可獲得實驗的結果。
成大研發快訊 - 文摘 圖三 (e)~(g)為藉由外加電壓設定於出入口，使得不同的樣品在同一時間可連續地流入不同的出口槽。 圖四 利用簡易的操控條件即可將不同的染料在相同時間下傳送到單一的出口槽。 在本文中我們介紹利用電動力的方式驅動樣品流，並對樣品流做不同的電壓操控。本研究最大的好處，是 將微流體結構與電極結合，不需要額外製作一個微型泵，如此一來我們便能將系統更進一步微小化。而實 驗結果顯示，1×N微流體連續進樣晶片，與M×N微流體連續進樣晶片，我們都能成功地使用電壓操控方 式，將樣品流導向我們所預期出口槽。這個實驗結果對於高通量 (High-throughput) 的化學檢測，有著極 大的益處。另外，我們可將兩種染料導入單一個出口槽，這對於需要混合的樣品流，有相當大的幫助，我 們只須利用簡單的電路控制就能達到。未來我們可以和主動式、被動型微型混合器做結合，發展出另一套 整合式的微流體晶片。 3 of 3
