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系統識別號 U0026-0812200910355471
論文名稱(中文) 電壓驅動式微流體細胞計數晶片之設計與製作
論文名稱(英文) Design and Fabrication of an Electrokinetically-driven Micro-flow-Cytometer
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 工程科學系碩博士班
系所名稱(英) Department of Engineering Science
學年度 91
學期 2
出版年 92
研究生(中文) 潘郁仁
研究生(英文) Yu-Jen Pan
學號 n9690144
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 68頁
口試委員 指導教授-楊瑞珍
指導教授-李國賓
口試委員-黃吉川
中文關鍵字 微機電  微流體  生物晶片  光纖  細胞計數器  毛細管電泳  晶片實驗室 
英文關鍵字 capillary electrophoresis  cytometer  optical waveguide  microfluidic  MEMS 
學科別分類
中文摘要 本研究利用微機電製程技術,設計並製作出一個利用電動力操控的微流體生醫晶片。首先研究出電動式微流體進樣1×N(1:檢測液注射端、N:檢測液出口端)和M×N(M:檢測液注射端、N:檢測液出口端)兩組微流體晶片。這個新式的微流體晶片整合了兩種重要的輸送微流體現象,即是電動集中效應和無閥式開關切換之功能。實驗的結果顯示,樣品流可以被預先集中成一個範圍較小的帶寬,然後連續地被引導入預期的出口端。
流式細胞/顆粒計數器及分類器已廣泛地應用在生醫研究等相關領域。微流體生醫晶片整合光纖元件可作為細胞即時之偵測,利用電動力去集中樣品流的帶寬與操控其導入位置,可以使整個微流體系統更微小化。本微流體系統整合了幾個關鍵的模組,包含電動集中裝置、控制電極的建立、光學偵測裝置及電動開關切換裝置。實驗結果顯示,可以成功地計數及收集細胞和顆粒。
英文摘要 A novel microfluidic device for cell/particle counting and sorting is designed and fabricated. The chip is fabricated on soda-line glass substrates using MEMS technologies. The numerical and experimental investigation into electrokinetic focusing flow injection for bio-analytical applications on 1´N (i.e. 1 sample inlet port and N outlet ports) and M´N (i.e. M sample inlet ports and N outlet ports) microfluidic chips are performed. The device integrates two important microfluidic phenomena, namely electrokinetic focusing and valve-less flow switching within multi-ported microchannels. Experimental results show the samples may be pre-focused electro-kinetically into a narrow stream prior to being injected continuously into specified outlet ports.
The microfluidic device is then used as a flow cytometer, which is a general method for analyzing micro-particles such as cell, bacteria and even euglena with high efficiency. The microfluidic chip is integrated with buried optical fibers for on-line cell/particle detection. Instead of using hydrodynamic forces, the device uses electrokinetic forces for flow focusing and sample switching, resulting in a compact microfluidic system and easier integration process. Several critical modules have been integrated to form the device, including electrokinetic focusing devices, built-in control electrodes, buried optical fibers for on-line detection, and electrokinetic flow switches for bio-particles collection. Experimental data show that successful cell counting and sorting could be achieved.
論文目次 中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
致謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ
符號說明 ⅩI

第一章 緒論
1-1 前言 1
1-2微機電系統 1
1-3 微流體晶片 3
1-4 研究動機與目的 3
1-5 文獻回顧 5
1-6 本文架構 9
第二章 基礎原理
2-1 電雙層 10
2-2電滲透流 11
2-3電泳 12
2-4光纖的基礎原理 14

第三章微流體晶片之設計與製作
3-1光罩底片之繪製與製作 16
3-2微管道流體之切換裝置 16
3-2-1 1×N之電動式微流體進樣裝置 16
3-2-2幾何尺寸設計 17
3-2-3 M×N之電動式微流體進樣裝置 17
3-2-4幾何尺寸設計 17
3-3集中/切換裝置之整合 18
3-4光學檢測機構之整合 20
3-5整合型微電泳晶片的製作 20
3-5-1集中/切換裝置之製作 20
3-5-2細胞/顆粒計數及分類感測器之製程 23

第四章 結果與討論
4-1實驗設備裝置 24
4-1-1 1×N電動式微流體進樣晶片實驗裝置 24
4-1-2光纖偵測系統晶片實驗裝置 25
4-2晶片測試結果與討論 26
4-2-1 1×N電動式微流體進樣晶片 26
4-2-2 M×N電動式微流體進樣晶片 27
4-2-3微流體進樣集中/切換晶片 27
4-2-4整合光纖檢測機構之微電泳晶片 29

第五章 結論與展望
5-1結論 32
5-2展望 33

參考文獻 35

自述 39
著作 40



表 目 錄

表4.1 1×5電動式微流體進樣晶片之操作條件。 41
表4.2 電動式微流體進樣晶片九種可能注射模式。 41
表4.3 電動式微流體進樣晶片之操作條件。 42
表4.4 電動式微流體進樣集中/切換晶片之操作條件。 43




圖 目 錄

圖1.1 (a)細胞或顆粒進行計數和分的示意圖。(b)當細胞或顆粒通過偵測區時通過光纖的光源強度就會改變。 44
圖1.2 將化學分析系統中的毛細管電泳儀之分離系統微小化後導入玻璃晶片中之微流體晶片示意圖。 44
圖1.3 (a)十字型微流體晶片是意圖。(b)注射管道與分離管道交叉口處不同尺寸之設計示意圖。 45
圖1.4 帶電荷物質售電場作用下產生分類現象之示意圖。 45
圖1.5 傳統的柯爾特粒子計數器(Coulter particle counters)裝置示圖。利用顆粒通過量測小孔產生電阻變化,在轉換微電子訊號。 46
圖1.6 微小化之柯爾特粒子計數器裝置示意圖。 46
圖1.7 光纖檢測機構整合之微流體細胞計數器操作原理示意圖。 47
圖1.8 2×6連續式微流體進樣晶片示意圖。包含2個樣品流入口和6個出口槽。 47
圖2.1 微管道內壁解離、電雙層、zeta電位之示意圖。 48
圖2.2 電滲流其平坦的速度分佈正好提高檢驗物的分離效率。 49
圖2.3 如果光線的入射角大於臨界角,光線便會根據反射定律。 49
圖2.4 即使光纖彎曲,光線也會繼續沿光纖的方向傳播。 50
圖3.1 電動式微流體進樣裝置示意圖。 51
圖3.2 1×5電動式微流體進樣晶片尺寸示意圖。 51
圖3.3 2×6電動式微流體進樣晶片尺寸示意圖。 52
圖3.4 電動式微流體進樣集中/切換裝置示意圖。 52
圖3.5 電動式微流體進樣集中/切換裝置晶片尺寸示意圖。 53
圖3.6 光學檢測機構之整合示意圖。 53
圖3.7 微流體集中/切換裝置製作過程流程圖。 54
圖3.8 細胞/顆粒計數及分類感測器製作過程流程圖。 55
圖3.9 光纖穿入光纖軸通道之示意圖。 56
圖4.1 電動式微流體進樣晶片偵測系統儀器裝置。 57
圖4.2 光纖偵測系統晶片實驗裝置。 58
圖4.3 1×5電動式微流體進樣晶片之注射管道與切換管道交叉口。 59
圖4.4 1×5電動式微流體進樣晶片樣品流入預期之出口處實驗結果。 59
圖4.5 2×6電動式微流體進樣晶片之注射管道與切換管道交叉口。 60
圖4.6 2×6電動式微流體進樣晶片樣品流入預期之出口處實驗結果。 61
圖4.7 進樣集中/切換晶片兩種管道規格之注射管道、集中管道與切換管道交叉口。 62
圖4.8 進樣集中/切換晶片兩種管道規格,樣品流入出口端(B)的實驗結果。 62
圖4.9 進樣集中/切換晶片管道規格(b),樣品流入預期之出口處實驗結果。 63
圖4.10 樣品流帶寬隨電壓比的改變所發生之變化。 63
圖4.11 (a)整合光纖檢測機構之微電泳晶片之完成圖。(b)、(c)集中管道、光纖軸通道及切換管道的局部放大圖。 64
圖4.12 光纖已穿入光纖軸通道之完成圖。 65
圖4.13 用CCD拍攝的以電動驅動微粒子移動之連續影像。 66
圖4.14 在微管道內微粒子速度與電壓的關係。 67
圖4.15 光纖偵測 微粒子通過所產生的訊號。 67
圖4.16 CCD拍攝的以電動驅動紅血球細胞移動之連續影像。 68
圖4.17 光纖偵測人體紅血球細胞通過所產生的訊號。 68
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38 Döring, C., Grauer, T., Marek, J., Mettner, M., Trah, H. P., Willman, M., “Micromachined thermoelectrically driven cantilever beams for fluid deflection”, proc. IEEE Micro Electro Machanical Systems Workshop, MEMS, 12-18, 1992.
論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2003-06-16起公開。
  • 同意授權校外瀏覽/列印電子全文服務,於2003-06-16起公開。


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