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微流體系統的研究與元件製備

把實驗室微小化在一個小晶片上,除了有省時、攜帶方便等優點外,也提供了一個可整合不同程序的界面。由於所需的試劑量少,污染也較低,安全性也因而提高。
 
 
 
把實驗室微小化在一個小晶片上的研究發展,除了有省時、攜帶方便等優點外,也提供了一個可整合不同程序的界面。由於所需的試劑量少,污染也較低,安全性也因而提高。譬如像手機大小的簡易血糖檢測儀,就是一種商品化的實驗室晶片(lab on a chip),可在短短幾分鐘內測得樣品的血糖濃度。

當工程師希望讓各類的反應、分離、檢測、特性鑑定與自動化操作縮小在一個單一的微小平台上時,晶片上的各種物質輸送、熱傳遞、反應動力等問題,就為化工界開拓了一個新興的研究領域—微流控技術,就是在微米尺度下處理動量、能量及物質傳送或反應過程的技術。

當尺度縮小時,某些在巨觀下容易忽略的特徵反而會變得明顯。為此,成功大學化工系的魏憲鴻教授便著重以相關基礎學理,找出不同尺度中影響流體和粒子運動的主要因素,並據以設計微流控系統。

一般微流體系統基本上有以下特徵:表面張力效應大,因此毛細作用非常明顯;對表面親疏水性質或局部潤濕行為敏感;黏滯流阻高,因此需要較大外力才能驅動液體流動;局部電場強度可藉縮小電極尺寸或間距而大幅提高;物體間非共價力效應強,如凡得瓦力或靜電力,對於膠體分散及自組裝影響顯著。

微流體的尺度雖然很小,但還是有不同層級的差異。當系統的尺度從 100 微米逐漸縮小到奈米的層級時,以上列舉的作用在不同尺度範圍下大小也不同,主導系統的作用也會隨之改變。這時在元件設計上若選擇適當尺寸並搭配幾何形狀,另結合外加實驗條件如流量或電場的控制,便能增益其欲設計的功能並消弭不利因素,這在巨觀尺度下是不容易達到的。

例如長鏈 DNA 分子通常呈捲縮狀態,在定序判讀與基因技術操作上,常須把單一 DNA 分子延展開來。魏教授的研究團隊在微流道中製備一個扁長型液珠,使得液珠與管壁表面之間形成一厚度逐漸收縮的次微米薄膜。這時沿微流道施加一電場,由於薄膜的急遽收縮,電場強度及梯度大幅提高,又因為 DNA 本身帶負電,捲縮的 DNA 便會逆著電場方向進入薄膜,並受電場梯度作用而延展開來。

這樣對單一 DNA 分子的操控,並不需透過更精密或微小的流道結構來實現,同時由於薄膜內的局限效應或與管壁間的交互作用,DNA 分子的遷移率會隨分子大小而改變,且形態可呈現不同的動態變化,因此這項特質在 DNA 分離的應用上深具潛力。

魏教授還在微流體系統中結合反應動力與流體力學的操控,合成了金奈米材料。這是應用結合曲流道及單純的直線流道的微反應器設計,並搭配流量控制和適當的化學反應條件,以合成一維金奈米線。相較於傳統實驗方法,魏教授的新方法可以不用高溫加熱,也不用長時間反應或模板協助,這是一種新的嘗試。

在微流控技術中,流道的製作常扮演關鍵的因素。成功大學化工系莊怡哲教授的專長之一,在於高分子微奈米加工,現在以他利用微熱成型加工製作高深寬比的微流管道及結構為例來做介紹。傳統上製作高分子微流管道及結構的方法,有射出成型、熱壓成型與注模成型,使用微熱成型的例子並不常見。莊教授不畏設計組裝儀器的艱辛,率領研究團隊一起克服許多困難,終於製作出許多微流管道及結構,他們發現這個方法對高深寬比管道及結構的製作有特別的優勢。

所謂高深寬比,是指深度與寬度的比達到 5 以上。這樣的結構在其他的製程中脫模並不容易,雖然可加入脫模劑幫助脫模,但是脫模劑是在管道內壁與模具接觸的地方,使得脫模劑可能殘留於管道內壁,造成後來進行實驗的污染源。而微熱成型所製作的微流管道及結構的厚度較薄,脫模比較容易,如果要加脫模劑,也僅止於管壁外部,因此不會有脫模劑殘留在管道內壁的問題。由於管壁厚度較薄,也有利於分析物的偵測。

雖然在實驗室成功地以微熱成型製作出微流管道及結構,但莊教授對其在短期內的商業化發展並不樂觀。因為他認為目前的射出成型及熱壓成型技術足以滿足工業或學術上研發的需求,而在市場不大的情況下,微熱成型的優勢無法吸引使用者。或許,未來這一領域有了更寬廣的發展,才會看到這項製程被重用的機會。
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