朱元南臺灣大學:生物產業機電工程學研究所羅乾瑋Lo, Chien-WeiChien-WeiLo2010-05-052018-07-102010-05-052018-07-102008U0001-2907200816405000http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/180231本研究中利用彎取之疏水性表面以及一親水性玻璃基材組合成一驅動晶片，可使液滴表面張力之作用方向改變，引導液滴進行移動，我們利用此一現象發展了一套嶄新之液滴驅動方法，並建立了力學模型以解釋液滴移動之現象。為建構真實之驅動系統，我們利用與DNA Microarray相同之概念，使用三軸精密移動平台裝載探針架，帶動四根探針下壓薄膜進而同時驅動四片空腔晶片，可輕易達成高體積效率與高輸出之平行多晶片液滴驅動。由於此驅動方法無施加電場及磁場，可確保液滴內物質於安定狀態下進行傳送。為使反應自動化，空腔晶片使用玻璃雷射鑽孔技術加工出四個直徑0.8 mm之液體注入與抽出孔，以及兩直徑0.5 mm之壓力平衡孔，而晶片玻璃基材設計為可回收清洗並更換膠模與間隔用雙面膠後重複使用，間隔用雙面膠以多層疊層製作而成，整體晶片之製作成本非常低廉，並探討其厚度對驅動性能之影響。我們所設計以及製作之晶片可直接以及快速地手動進行液滴之注入與抽出，並且我們發展了自動化注入與抽出之系統，可應用於原先需以手動作業之生化反應，將其以封包形式於一小晶片上進行實驗。我們對一共發現5種此一驅動方法之獨有特性：液滴與探針同速移動、液滴歸位、液滴粉體混和、液滴比例分裂以及多晶片平行驅動。液滴與探針同速移動最高可達到每秒10 cm/s之操作速度，並且使用移動式混合法可使層流狀態之粉體液滴於3秒內達到完全混和，並且此驅動方式具備獨特之歸位現象，不需刻意將探針對準液滴，可有1 cm以上之間距，並且此方法可對液滴進行不等比例 (1:1) 之分裂動作，我們所發現之此些流體特性以及其實驗數據對此驅動方法於日後之生化應用及系統最佳化設計有巨大幫助。最後展示了此系統可進行多晶片平行驅動之能力，對於工業化大量批次反應之應用具有極大之潛力。We developed a novel method of droplets actuation simply by using the surface tension distribution of a curved surface of hydrophobic plastic membrane and a flat hydrophilic glass substrate without applying outer electrical or magnetic power. There are two basic modes of actuation : droplet moving with probe and droplet homing and three application modes : mixing of powder droplets, droplet ratio splitting and multiple chips simultaneous actuation. The basic three-dimensional explanation of two basic modes has been established and the actual velocity relationship between probes and droplets had been found and the experimental performance data for de-ionized water of the two basic modes and droplets mixing and split had been worked out. Since there is no need of outer power source, the material inside the droplet is stable and can be applied on stably transporting or manipulating droplets carrying polar or ionized particles such as DNA or protein molecules and since multiple chips can be simply actuated simultaneously by the same probe sets, just like the concept of DNA microarray and the chip of actuation need no microstructure thus the cost is extremely low, with the low cost of batch laser drilling technique and the double-sided tape spacer, the potential of industry application will be infinity.目錄謝.......................................................i要......................................................iiBSTRACT.................................................iii錄......................................................iv目錄..................................................vii目錄...................................................xi一章 前言.............................................1二章 研究目的.........................................2三章 文獻探討.........................................4-1 微流道驅動及製作.................................4-2 液滴驅動之發展...................................7 3-2-1 靜電式(Electrostatics) .........................7 3-2-2 電濕式(Electrowetting-based) ...................9 3-2-3 熱毛細作用(Thermocapillary) ....................11 3-2-4 表面聲波(SAW, Surface Acoustic Wave) ...........12 3-2-5 磁力與表面吸附(Magnetic Force and Surface Wettability) ...................................14 3-2-6 文獻中之驅動方式比較............................16四章 研究方法........................................17-1 液滴驅動方法....................................17 4-1-1 二維基本力學模型與驅動原理.....................174-1-1-1 液滴歸位現象............................184-1-1-2 液滴與探針同速移動......................24 4-1-2 由二維模型延伸至三維...........................27-1-2-1 與探針同速移動....................................284-1-2-2 歸位現象................................334-1-2-3 與探針同速移動之現象解釋................34-2 液滴驅動系統設計製作............................36 4-2-1　X-Y-Z 三軸精密移動平台.........................36 4-2-2 探針組之設計製作................................38 4-2-3 生化反應實驗用晶片之設計與製作..................40 4-2-3-1 晶片之結構與製作.........................40 4-2-3-2 液滴之注入與抽出.........................43 4-2-3-3 晶片移動通道之幾何.......................47 4-2-4 晶片架設計製作..................................49-3 液滴驅動性能測試.....................................50 4-3-1 移動性能測試之硬體設定..........................52 4-3-2 歸位現象測試之硬體設定..........................53 4-3-3 移動式混合法測試之硬體設定......................53 4-3-4 液滴分裂測試....................................54-4 應用微量液滴驅動系統於生化反應..................56 4-4-1 自動化液滴注入與抽出系統........................56 4-4-2 LabVIEW圖控程式撰寫............................56 4-4-3 系統整合........................................59五章 結果與討論........................................60-1 液滴移動實驗........................................60 5-1-1 現象觀察........................................60 5-1-2 液滴最大移動速度測試............................62 5-1-3 所有驅動方式之比較..............................65-2 移動式混和與液滴歸位實驗..............................66 5-2-1 移動式混合實驗..................................66 5-2-2 液滴歸位實驗....................................69 5-2-3液滴分裂實驗.....................................70-3 整體驅動系統..........................................74 5-3-1 多晶片平行驅動展示..............................74 5-3-2 液滴注入誤差....................................76 5-3-3 驅動系統特性總整理..............................76六章 結論............................................78七章 參考文獻........................................80錄A 投影幾何推導.....................................84目錄 3-1 特殊3D流道製作技術..................................5 3-2 流道角落試劑殘留與改良 (Ahn et al., 2004)，(a)、(b)為 銳角之流道，(c)、(d)為平滑化後之流道................6 3-3 靜電式液滴與操作電極板..............................8 3-4 電極之相位改變方式(Taniguchi et al., 2002)..........8 3-5 電濕式驅動以及其應用...............................10 3-6 熱毛細現象液滴驅動示意圖...........................12 3-7 SAW驅動平台.......................................13 3-8 兩種微小液滴供給方式...............................14 3-9 以SAW進行PCR反應裝置示意圖.........................14 3-10 磁珠式驅動示意圖..................................15 4-1三種不同性質之上表面，粗黑線所包圍之區域內即為液滴..18 4-2 液滴處於曲面與非曲面間.............................20 4-3 整體液滴處於斜面下 ................................21 4-4 歸位後平衡示意圖.................................. 23 4-5 與探針同速移動瞬間液滴受力與幾何圖.................26 4-6 液滴移動象.........................................27 4-7 大致上之液滴運動幾何...............................27 4-8 液滴下壓中心點位置................................ 28 4-9 不同剖面 ..........................................29 4-10 不同剖面之受力幾何圖..............................30 4-11 歸位現象3D與投影示意圖............................33 4-12可能支液滴與探針移動速度...........................35 4-13 X-Y-Z三軸精密移動平台與操作介面...................37 4-14 精密移動平台之移動速度對照表......................38 4-15 固定式探針架......................................39 4-16 移動式探針架結構圖................................40 4-17 玻璃雷射鑽孔，(左)示意圖、(右)鑽孔機(Uni-Via Technology Inc.)、鑽孔成品(下)....................41 4-18 驅動晶片尺寸，單位mm..............................42 4-19 驅動晶片結構圖....................................43 4-20 以micropipette注入液滴............................44 4-21 已注入之液滴......................................44 4-22 液滴處於玻璃孔上方時之狀態........................45 4-23 液滴手動抽出平台..................................45 4-24 矽膠管套接........................................46 4-25 晶片連接矽膠管....................................46 4-26 探針下壓晶片剖面幾何示意圖，液滴移動方向如箭頭所 示................................................47 4-27 幾何詳細標註......................................47 4-28 theta－H/L－R走勢圖...............................49 4-29 晶片架詳細結構....................................504-30 測試晶片尺寸.......................................514-31 取像用CCD位置......................................514-32 測試探針移動方向...................................524-33 移動式混和步驟.....................................54 4-34 液滴分裂步驟及示意圖，其中下壓後之圖(b)、(c)、(d)對 照於結果圖5-15之(2)、(5)、(6) ....................55 4-35 蠕動幫浦流速......................................56 4-36 程式前面板........................................57 4-37 控制程式方塊圖....................................58 4-38 系統整體圖........................................59 5-1 液滴側視圖.........................................60 5-2 探針移動速度過高而導致液滴破裂.....................61 5-3 液滴拖曳現象.......................................61 5-4 經多次使用固定式探針組，因平台震動造成薄膜中央凹陷(光 亮部分)，永久形變(表面之細紋為固態潤滑劑，非薄膜變 形)................................................62 5-5 平台最大液滴移動速度，(a) R=1.25、(b) R=2、(c) R=2.5，使用固定式探針組............................63 5-6平台最大移動速度，使用浮動式探針，對於所有體積、探針頭 以及不同之間隔層皆可達到101.5 mm/s之速度............64 5-7 液滴碰撞後混合過程，移動距離1 cm，頻率0.306 Hz，移動 次數為來回2次......................................66 5-8 移動式混合結果，於28.4s時判定為完全混合............67 5-9 移動速度對混和效果之影響...........................68 5-10 隔層厚度對混和效果之影響..........................68 5-11 液滴體積對混和效果之影響..........................69 5-12 可歸位距離受液滴體積之影響........................69 5-13可歸位距離受間隔層厚度之影響.......................70 5-14 可歸位距離受探針頭大小之影響......................70 5-15 液滴分裂實驗過程圖................................71 5-16 兩探針互相以低速5 mm/s遠離時之分裂距離............72 5-17 兩探針互相以低速5 mm/s遠離時之分裂比例............72 5-18一探針靜止，而另一探針以低速5 mm/s遠離時之分裂距離.73 5-19一探針靜止，而另一探針以低速5 mm/s遠離時之分裂比例.73 5-20 多晶片平行驅動展示1...............................74 5-21 多晶片平行驅動展示2...............................75錄 A-1 “''”代表位於不同y座標之不同剖面之半徑...........84錄 A-2 投影幾何.........................................84目錄 3-1文獻中各驅動方法之特性比較..........................16 5-1 所有驅動方法之特性比較.............................65 5-2 micropipette 注入誤差與精準度......................76 5-3 表面彎曲誘導式驅動系統之特性.......................76application/pdf5349751 bytesapplication/pdfen-US表面彎曲與探針同速移動歸位粉體混合比例分裂平行驅動Curved surfaceMoving with probeHoming, Ratio splittingMultiple chips simultaneous actuationthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/180231/1/ntu-97-R94631023-1.pdf