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研究生： 徐玄修
Hsu, Hsuan-Hsiu
論文名稱： 整合型微透析電泳晶片之研發
Integration of Microfluidic Chips with Microdialysis Probe
指導教授： 陳淑慧
Chen, Shu-Hui
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 理學院 - 化學系
Department of Chemistry
論文出版年： 2003
畢業學年度： 91
語文別： 中文
論文頁數： 119
中文關鍵詞： 微流體晶片 、微透析技術
外文關鍵詞： Microfluidic chip, Microdialysis probe
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    • 本研究主要目的是結合微透析探針取樣技術與微流體電泳晶片，並配合本實驗室開發出的連續壓力流進樣偶合晶片式電泳分析技術，發展出一套整合型微透析電泳晶片。本研究已成功開發出第一代及第二代整合型微透析電泳晶片，其主要差異在於第一代是在晶片外面進行神經傳導物質與螢光染料的線上(on-line)標示，第二代則是在晶片的微管道內完成線上(on-line) 螢光染料標示。
    第一代整合型微透析電泳晶片，由於具有連續進樣槽造成的分流，可在高流速下(0.75-1μL/min)以連續壓力流進樣，以雙管注射針完成線上將神經傳導物質(Glutamate)標示螢光染料，立即以連續壓力流進入微流體晶片，進行連續進樣分析達30分鐘以上，當分析物濃度改變時，偵測到的訊號改變回應時間5分鐘可完成。此結果證明第一代整合裝置之可行性。
    第二代整合型微透析電泳晶片是以十字型晶片上操作，將第一代的晶片外線上標示染料裝置移除，由單管注射針連續進樣在十字晶片的微管道內進行即時螢光染料標示，標示過程可在10秒鐘完成，裝置比第一代更為簡便，連續進樣分析可持續30分鐘，當改變分析物濃度，訊號回應時間可縮短至3分鐘，此時間主要受限在微透析探針的呆體積(dead volume)。此結果證明第二代整合裝置之可行性。Glutamate和Arginine之分離時間可縮短至6秒，而Glutamate和Arginine的校正曲線R2值都達0.99以上，藉由整合微透析與微流體晶片，其連接界面比結合微透析與毛細管電泳之技術更為簡便，可達到連續監測神經傳導物質，快速分析之效果。

    The goal of this study is to integrate the electrophoretic microchip with the microdialysis probe for the development a microfluidic chip system with the integrated function for sampling, separation and on-line detection. The integration of this device is based on the continuous flow-through sampling method that couples hydrodynamic and electrophoretic flows on the microchip. In this study, two generations of integrated microchips were developed. The major difference between these two generations is that the on-line labeling of neurotransmitters (Glutamate and Arginine) is achieved outside the microchip for the first generation and the labeling is achieved on-chip for the second generation.
    For the first generation of the microchip, the fluorescence dye OPA, was mixed with glutamate using a tee unit. The mixture was driven directly into the microchip under the flow rate between 0.75 to 1μL/min, and then separated and detected on-chip. In this device, continuous injection, separation and detection could be repeated and analyzed up to more than 30 minutes. This device was demonstrated to be capable of continuously monitoring the concentration variation with a response time around 5 minutes.
    For the second generation of the microchip, on-line labeling was completed within the microchannel that was pre-filled with fluorescence dye and labeling time was shortened to be less than 10 seconds. Moreover, the response time for concentration variation of the analyte was just around 3 minutes, and the required response time was majorly due to the dead volume of the microdialysis probe instead of other parts used for microchip fabrication. The second generation of the integrated device is much simple than the first generation and could be continuously operated for more than 30 minutes.
    In one example, a mixture containing glutamate and arginine was demonstrated that they could be sampled, separated and detected within 6 seconds. Moreover, this device was shown for quantitative analysis of the mixture containing glutamate and arginine (1mM~10mM) with a R2 value greater than 0.99. We believe that this integrated microfluidic device was of great potential for real-time monitoring.

    誌謝 I 中文摘要 II 英文摘要 IV 目錄 VI 表目錄 X 圖目錄 XI 第一章 背景介紹 1. 1 微流體晶片發展與生醫上的應用…………………………1 1. 2 微透析技術原理、發展與應用……………………………4 1. 3 電泳原理與微流體晶片電泳……………………………..10 第二章 連續壓力流偶合微流體電泳晶片之設計 2. 1 微流體晶片設計…………………………………………..15 2. 1. 1 光罩之繪圖與製作………………………………..15 2. 1. 2 流阻之理論計算…………………………………..16 2. 1. 3 微流體晶片之型式………………………………..19 2. 2 微流體晶片製作…………………………………………..20 2. 2. 1 表面前處理…………………………………………21 2. 2. 2 微影(Photolithography)…………………………….21 2. 2. 3 蝕刻(Etching)……………………………………….23 2. 2. 4 鑽孔…………………………………………………24 第三章 整合型微透析微流體晶片電泳系統之架設 3. 1 進樣系統…………………………………………………..25 3. 2 整合型微透析微流體晶片電泳系統模組………………..27 3. 2. 1 光學系統…………………………………………..27 3. 2. 2 數據擷取系統……………………………………..29 3. 2. 3 電泳模組系統……………………………………..30 3. 2. 4 微透析進樣裝置…………………………………..30 3. 3 實驗中其他儀器與設備…………………………………..31 第四章 結合微透析技術和微流體晶片電泳分析神經傳導物質 4. 1 實驗部分…………………………………………………..32 4. 1. 1 藥品與試劑………………………………………..32 4. 1. 2 實驗步驟…………………………………………..33 4. 2 實驗結果與討論…………………………………………42 4. 2. 1 微透析探針相對回收率之探討…………………..42 4. 2. 2 線上(on-line)標示染料與分析物之探討…………43 4. 2. 3 不同流速下對偵測訊號回應時間之探討………..44 4. 2. 4 流速與最佳分析電壓之探討……………………..45 4. 2. 5 不同濃度分析物線上(on-line)標示後，連續進樣分析之結果 …………………………………………..45 4. 2. 6 第一代整合型微透析電泳晶片之連續進樣分析..46 4. 2. 7 線上(on-line)改變分析物濃度與訊號回應時間之探討 …………………………………………………..48 4. 2. 8 線上(on-line)標示染料後，十字型晶片之連續進樣分析 ………………………………………………..50 4. 2. 9 十字晶片上即時完成進樣、染料標示及分析之探討 …………………………………………………..53 4. 2. 10 第二代整合型微透析電泳晶片之連續進樣分析54 4. 2. 11 十字型晶片線上(on-line)改變分析物濃度與訊號回應時間之探討 ………………………………..55 4. 2.12 Glutamate與Arginine校正曲線之探討…………56 第五章 結論與未來展望 5. 1 結論………………………………………………………..57 5. 2 未來展望…………………………………………………..58 參考文獻……………………………………………………………..…60 表目錄 表3-1 染料和對應濾片………………………………………………..67 表4-1 不同流速下10mM glutamate標示40mM OPA螢光染料，反應管長度18cm，訊號強度與螢光標示反應時間表……………68 表4-2不同流速下10mM glutamate標示40mM OPA螢光染料，反應管長度24cm，訊號強度與螢光標示反應時間表……………...69 圖目錄 圖1-1 CMA/20微透析探針的形式及透析原理圖…………………….70 圖1-2 毛細管內壁解離、電雙層、界面電位之示意圖…………………71 圖1-3 毛細管電泳中電滲透流（EOF）方向的示意圖……………….72 圖2-1 等向性蝕刻所產生的底切(undercut)現象……………………..73 圖2-2 管道幾何形狀參數與管道半深寬比之關係圖………………..74 圖2-3 十字型晶片的幾何形狀………………………………………..75 圖2-4 具有連續進樣槽(300、3000μm)晶片的幾何形狀…………….76 圖2-5 鈉玻璃微流體晶片製作過程示意圖…………………………..77 圖3-1 具有連續進樣槽的晶片，以壓力流連續進樣操作模式示意…78 圖3-2 整合微透析電泳晶片分析裝置圖……………………………..79 圖4-1 利用微透析探針收集透析液裝置圖…………………………..80 圖4-2 神經傳導物質線上混合染料後，進微流體晶片分析裝置圖…81 圖4-3 第一代整合型微透析電泳晶片………………………………..82 圖4-4 第二代整合型微透析電泳晶片………………………………..83 圖4-5 第一代、第二代整合型微透析電泳晶片彩色裝置圖…………84 圖4-6 飽和Glutamate及不同流速下之透析液與偵測訊號、回收率之關係圖 …………………………………………………………..85 圖4-7 10mM Glutamate及不同流速下之透析液與偵測訊號、回收率之關係圖 ………………………………………………………..86 圖4-8 胺基酸標示OPA(o-phthaldialdehyde)反應…………………….87 圖4-9 20mM OPA和飽和Glutamate線上(on-line)混合連續偵測訊號對時 間之關係圖 ………………………………………………88 圖4-10 線上(on-line) 20mMOPA標示10mM Glutamate連續進樣分析，流速與最佳分析電壓之 電泳圖……………………………89 圖4-11 線上(on-line) 20mMOPA標示不同濃度Glutamate連續進樣分析 ……………………………………………………………..90 圖4-12 第一代整合型微透析電泳晶片連續進樣分析圖……………92 圖4-13 不同流速下，第一代整合型微透析電泳晶片，時間對訊號大小關係圖( 3000μm進樣 槽)………………………………...93 圖4-14 不同流速下，第一代整合型微透析電泳晶片連續進樣分析，時間對訊號關係圖( 3000μm進樣槽)……………………...94 圖4-15 不同流速下，第一代整合型微透析電泳晶片連續進樣分析，訊號大小與峰形圖( 3000μm進樣槽)……………………...95 圖4-16 不同流速下，第一代整合型微透析電泳晶片，時間對訊號大小關係圖( 300μm進樣 槽)………………………………….96 圖4-17 不同流速下，第一代整合型微透析電泳晶片連續進樣分析，時間對訊號關係圖( 300 μm進樣槽)……………………….97 圖4-18 不同流速下，第一代整合型微透析電泳晶片連續進樣分析，訊號大小與峰形圖(300 μm進樣槽)……………………….98 圖4-19 不同流速下，第一代整合型微透析電泳晶片連續進樣分析，訊號 大小與峰形放大圖 (300μm進樣槽)………………...99 圖4-20 第一代整合型微透析電泳晶片連續進樣分析，改變分析物濃度(飽和Glu到10mM Glu) 與訊號回應時間之關係圖……100 圖4-21 第一代整合型微透析電泳晶片連續進樣分析，改變分析物濃度(10mM Glu到5mM Glu) 與訊號回應時間之關係圖…...101 圖4-22 第一代整合型微透析電泳晶片連續進樣分析，改變分析物濃度(5mM Glu到1mM Glu) 與訊號回應時間之關係圖…….102 圖4-23 第一代整合型微透析電泳晶片，在十字型晶片上連續進樣分析 ……………………………………………………………103 圖4-24 10mM Arginine線上(on-line)標示染料後，在十字型晶片上連續進樣分析 ………………………………………………104 圖4-25 10mM Glutamate線上(on-line)標示染料後，在十字型晶片上連續進樣分析 ………………………………………………105 圖4-26 10mM Arginine與10mM Glutamate以1：3體積混合，在十字型晶片上連續進樣分析 …………………………………106 圖4-27 10mM Arginine與10mM Glutamate以3：1體積混合，在十字型晶片上連續進樣分析 …………………………………107 圖4-28 10mM Arginine與10mM Glutamate以5：1體積混合，在十字型晶片上連續進樣分析 …………………………………108 圖4-29 10mM Arginine與10mM Glutamate以9：1體積混合，在十字型 晶片上連續進樣分析 ………………………………..109 圖4-30 線上(on-line)標示染料後，在十字型晶片上連續進樣分析 ……………………………………………………………110 圖4-31 十字晶片上即時完成10mM Glutamate進樣、染料標示及分析圖 …………………………………………………………112 圖4-32 十字晶片上即時完成10mM Arginine進樣、染料標示及分析圖 ……………………………………………………………113 圖4-33 十字晶片上即時完成10mM Glutamate 和Arginine進樣、染料標示及分析圖 ……………………………………………114 圖4-34 第二代整合型微透析電泳晶片連續進樣分析……………..115 圖4-35 第二代整合型微透析電泳晶片連續進樣分析，改變分析物濃度與訊號回應時間 關係圖………………………………116 圖4-36 Glutamate之校正曲線圖…………………………………...118 圖4-37 Arginine之校正曲線圖……………………………………..119

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    下載圖示 校內：2005-09-03公開
    校外：2005-09-03公開
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