沈弘俊臺灣大學：應用力學研究所李懷農Li, Huai-NungHuai-NungLi2007-11-292018-06-292007-11-292018-06-292006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62539由於近年來，微機電之製程方法大幅進步，藉由微機電技術來從事微流體方面的研究更是蓬勃發展，生醫微流體是其中熱門的研究領域，其研究結果包含各樣式的生醫晶片(Biochip)，但在生醫晶片中流場量測不易，難以推估內部的流場變化，因此本研究之最重要目的便是發展一可用於量測全域生醫微流場的量測系統；本系統的量測方法主要應用微粒子顯像測速儀(Micro Particle Image Velocimetry, Micro-PIV)，在一般流場中，Micro-PIV是將螢光微粒子放入微流場中，使用雷射照亮螢光微粒子，再用CCD擷取影像加以分析。本論文乃是運用此原理延伸至生醫微流體之中，發展出一套可以觀察血球流場的系統。因為在各種生醫微流體中，血液可以說是最重要的生醫微流體，所以本實驗就以血液為量測的生醫微流體，採用血球染色的技術，利用螢光染劑將紅血球標定上螢光，使得血球可視化進而代替傳統的螢光粒子，把染色後的血球置放回血漿中，成為可用Micro-PIV加以量測的血液，而其量測過程主要是經由雷射激發染色血球上的蛋白質，使蛋白質放射出螢光，再用電子耦合攝影機(charge couple device, CCD)擷取影像，接著使用軟體進行分析，將CCD所擷取到的影像進行分析，便可得到血液流場的分布情況。 本論文的第二部份，是進行不同條件下的血球流場量測，改變的參數為血容比以及流速，觀測血球流場隨此二參數的變化情形，並將量測到的結果與理論值進行比較並討論其差異。量測結果發現改變血容比時，流場發生了變化，而當流速發生改變的時候，血液的流場也發生變化，但血容比改變所造成的影響較流速來的大。目錄 第一章 序論 1 1-1前言 1 1-2文獻回顧 1 1-3研究動機及目的 3 第二章 量測方法與實驗原理 4 2-1微粒子顯像測速儀 4 2-1-1光照明方式的差異 5 2-1-2數值光圈N.A.(Numerical Aperture) 6 2-1-3景深(depth of field) 6 2-1-4布朗運動 7 2-2血球染色原理 7 2-2-1染色機制 7 2-2-2染色步驟 7 2-2-3血球螢光觀測 8 2-3血液流場特性探討 8 2-3-1血沉現象 9 2-3-2血容比 9 2-3-3血液雜質淤塞 9 2-3-4血液的黏度 9 2-3-5粒子跟隨性的分析 10 2-3-6血球染色decay情況測試 10 第三章 實驗設備與製程 12 3-1微粒子顯像測速儀系統 12 3-2微流道製程 14 3-2-1SU-8微流道母模製作 14 3.2.2PDMS微流道製作 15 3.2.3PDMS微流道接合 16 3-3實驗儀器配置 16 第四章 量測結果與討論 17 4-1血球顯影 17 4-1-1光路選擇 17 4-1-2進行即時影像處理 17 4-1-3增加螢光可觀測強度 18 4-1-4影像解析度 18 4-2改變血容比以及流速進行量測 19 4-2-1改變血容比與平均流速 19 4-2-2速度剖面之擷取 20 4-2-3改變血容比所得之實驗結果 20 4-3討論紅血球流場現象 21 4-3-1討論密度改變的影響 21 4-3-2討論黏滯性改變的影響 21 4-3-3討論雷諾數改變的影響 22 4-3-4討論降伏應力改變的影響 22 4-3-5量測結果討論與分析 22 4-3-6改變血容比以及流速討論Yc的變化 23 4-4本系統的優點 24 第五章 結論與未來展望 25 5-1結論 25 5-2未來展望 25 參考文獻 27 圖目錄與表目錄 表2.1染色血球隨時間decay變化情況 30 表2.2染色血球隨雷射照亮次數decay變化情況 30 表4.1染色濃度測試結果 31 圖2.1血球染色原理示意圖 32 圖2.3血球顯影觀測系統示意圖 34 圖2.4血球計算盤 35 圖2.5血球計算盤上視圖以及測視圖 35 圖2.6不同倍率下的血球顯影觀測 36 圖2.7雜質對於微流道的淤塞 37 圖2.8抗汙紙捲 37 圖2.9除去雜質之後的情形 37 圖3.1流道母模表面輪廓圖 38 圖3.2流道製程示意圖 38 圖3.3實驗設備示意圖 39 圖4.1染料emission圖 40 圖4.2更換filter進光量差異示意圖 40 圖4.3 Interrogation spot size 32×32計算結果 41 圖4.4 Interrogation spot size 64×64計算結果 41 圖4.5淤塞血液流場量測 42 圖4.6無淤塞流場量測(含壞點說明) 42 圖4.7平均流速1cm/s之無因次化速度剖面圖 43 圖4.8平均流速2cm/s之無因次化速度剖面圖 43 圖4.9平均流速1cm/s與2cm/s之血容比與雷諾數變化圖 44 圖4.10 Rigid discs 與Ghost Cell速度剖面圖 45 圖4.11血液粘度值 45 圖4.12降伏剪力影響範圍 46 圖4.13血液降伏剪力值 46 圖4.14a平均流速2cm/s(上圖左)無因次化速度剖面圖 47 圖4.14b平均流速1.5cm/s(上圖右)無因次化速度剖面圖 47 圖4.14c平均流速1cm/s(上圖左)無因次化速度剖面圖 47 圖4.14d平均流速0.5cm/s(上圖右)無因次化速度剖面圖 47 圖4.15YC隨血容比與速度變化圖 481753082 bytesapplication/pdfen-US紅血球染色血液流場微機電技術Micro-PIVmemsblood microflowthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62539/1/ntu-95-R93543066-1.pdf