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研究生: 張瀞尹
Chang, Ching-Yi
論文名稱: 探討蛋白質溶液在微流道內之揮發沉積
Investigation of Protein Solution Evaporation and Deposition inside Microchannels
指導教授: 莊怡哲
Juang, Yi-Je
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 化學工程學系
Department of Chemical Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 134
中文關鍵詞: 揮發蛋白質溶液微/奈米製造
外文關鍵詞: evaporation, protein solution, micro/nanofabrication
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  • 液滴揮發的現象及其溶液沉積導致形成微/奈米結構的成型機制已廣泛地被探討多時,然而大多數的研究多著重在液滴於基材表面上開放空間的揮發情形,本研究主要探討蛋白質溶液在微流道結構內部的揮發現象,操作參數包括模具設計、微流道幾何尺度、溶液濃度、基板特性和粒子種類等,以探討一維微/奈米線性結構成型的影響。
    實驗結果發現蛋白質多以連續性的線狀結構沉積在微流道的的壁角,線高介於微/奈米尺度之間,線長結構可達一公分。相較於兩端開放或兩端封閉的設計,一端封閉/一端開放的模具設計能夠提升微/奈米線狀陣列的整體均一性;當微流道寬度相同(50μm),深度較低(2μm)的流道易使溶液均勻填滿流道內部。使用表面親水的基板(玻璃,矽晶圓)易將蛋白質溶液填入微流道,且得到較佳的微/奈米線狀結構;若使用較疏水的基板(PMMA,PET),不僅無法均勻填滿流道內部,在揮發沉積的過程中也無法形成比親水基板較佳的微/奈米線狀結構。經由螢光強度的追蹤,我們得知微流道兩端或兩側與大氣連通的距離越短,則會提高蛋白質溶液揮發沉積的速率。若欲製備無機的線狀結構,如SiO2,則可於SiO2溶液中加入BSA蛋白質,藉由BSA溶液的揮發流動沉積,在高溫鍛燒後,得到無機氧化物的一維微/奈米結構。

    Although droplet evaporation and that leading to formation of micro/nanostructures have been widely studied for a relatively long time, almost all the studies involve the droplet dispensed on a flat substrate. In this study, we investigate evaporation of protein solution inside the microchannels, the so-called confined space. The effect of various processing parameters such as design and dimensions of the microchannel array, solution concentration, solutes, and properties of the substrate on the deposited structures are discussed. It is found that protein molecules can deposit at the corners of the microchannel to form continuous line structures with height at sub-micron or nanometer scale and length up to 1 cm. The microchannels with one end open to the atmosphere provide better uniformity of the line structures on the entire substrate. When using the hydrophilic substrates, the protein solution can be easily filled in the microchannels and better line structures can be obtained. The evaporation rate increases substantially when the microchannels are near the edge of the stamp. Besides the protein line structures, inorganic line structures such as oxide can be generated by filling the microchannels with the solution having oxide particles along with protein molecules, followed by evaporation/deposition and sintering process.

    目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VIII 圖目錄 IX 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2研究動機與目的 2 第二章 文獻回顧 3 2.1.奈米壓印微影(nanoimprint lithography, NIL) 3 2.2 軟式微影(soft lithography) 5 2.2.1微接觸印製(microcontact printing , μCP) 6 2.2.2複製成模(replica molding, REM) 6 2.2.3毛細管微成型(micromolding in capillaries, MIMIC) 7 2.2.4微轉印成型(Microtransfer Molding, μTM) 8 2.3 毛細力微影(capillary force lithography) 9 2.4 揮發沉積形成微奈米圖案 11 2.4.1咖啡環效應(coffee ring effect) 11 2.4.2以毛細流(capillary flow)原理成線狀結構 14 2.4.3奈米粒子在模具內的自組裝(self-assembled)行為 15 第三章 材料與方法 33 3.1 實驗藥品與材料 33 3.2實驗儀器 37 3.3實驗流程 42 3.3.1 微流道模具的製備 42 3.3.2 蛋白質溶液的揮發成型 45 3.4觀測與量測儀器 47 3.4.1 倒立式光學/螢光顯微鏡 47 3.4.2 原子力顯微鏡 47 3.4.3 掃描式電子顯微鏡 50 第四章 結果與討論 64 4.1製備微/奈米線狀結構-蛋白質 64 4.1.1模具設計的選擇 64 4.1.2微流道型態的影響 65 4.1.3溶液濃度的影響 66 4.1.4基板的影響 67 4.2蛋白質溶液在微流道內部的揮發沉積 69 4.2.1以螢光強度追蹤揮發沉積的機制 69 4.2.2模具設計的影響 71 4.3製備微/奈米線狀結構-氧化物 74 4.3.1 SiO2溶液的沉積型態 74 4.3.2 SiO2&BSA混合溶液的揮發成型 75 第五章 結論 129 第六章 未來工作 130 參考文獻 131 表目錄 表4-1 四種單一微流道的模具設計 111 圖目錄 第二章 圖2- 1奈米壓印微影(NIL)的製作流程[1] 17 圖2- 2奈米壓印(NIL)的比較(熱壓印 VS. 室溫壓印)[3] 17 圖2- 3微接觸印刷(μCP)的製作流程[5] 18 圖2- 4在金屬層的表面進行單分子膜的自組裝行為(μCP) [6] 19 圖2- 5複製成模(REM)的製作流程[5] 20 圖2- 6以Si/SiO2為基板晶PDMS複製的AU線狀陣列[5] 21 圖2- 7毛細管微成型(MIMIC)的製作流程[5] 22 圖2- 8利用MIMIC得到不同材料所形成的微結構[5] 23 圖2- 9微轉印成型(Microtransfer Molding,μTM)的製作流程[5] 23 圖2- 10毛細力微影(CFL)的製作流程[11] 24 圖2- 11毛細力微影(CFL)的應用[15] 25 圖2- 12聚氨酯丙烯酸酯樹脂(PUA)的製模(molding)程序[16] 26 圖2- 13蒸發速率的不同所造成的流動[27] 27 圖2- 14溫度分佈驅使液滴表面的流動[28] 27 圖2- 15水滴(water)和辛烷液滴(octane)的沉積情形[29] 28 圖2- 16不同粒子濃度與接觸角的沉積結果[22] 28 圖2- 17不同壓力所導致的退水過程(dewetting process)[19] 29 圖2- 18利用不同退水過程以形成奈米粒子的沉積[19] 30 圖2- 19以AFM量測不同濃度的奈米粒子溶液在微模具內部自組裝的最終形態[19] 31 圖2- 20改變微模具內部周邊的幾何形狀可到得多種類的超晶格結構[19] 32 第三章 圖3- 1聚二甲基矽氧烷(PDMS)的結構式 51 圖3- 2 Fluorescein dye 的分子結構式 51 圖3- 3超音波震盪器 52 圖3- 4氧電漿 52 圖3- 5旋轉塗佈機 53 圖3- 6單面曝光機 53 圖3- 7真空乾燥烘箱 54 圖3- 8電子天平 54 圖3- 9微量電子天平 55 圖3- 10抽氣幫浦 55 圖3- 11 高溫加熱爐 56 圖3- 12光微影製程的製作流程 57 圖3- 13軟烤-兩階段式升溫 58 圖3- 14實驗流程 58 圖3- 15BSA溶液揮發成線的螢光示意圖 59 圖3- 16倒立式光學/螢光顯微鏡 59 圖3- 17原子力顯微鏡(AFM) 60 圖3- 18AFM的結構示意圖 60 圖3- 19AFM探針的示意圖 61 圖3- 20原子與原子間因距離的改變而有不同的作用力 61 圖3- 21掃描式電子顯微鏡(SEM) 62 圖3- 22SEM的結構示意圖 63 第四章 圖4- 1 三種不同設計的模具型式: 77 圖4- 2 BSA溶液於微流道內部揮發沉積的螢光圖(scale bar:200μm) 77 圖4- 3兩端封閉的模具設計於不同區域的AFM高度量測 78 圖4- 4不同模具設計經AFM量測的數據分析圖以及3D結構圖 79 圖4- 5 1wt%BSA溶液在不同深度的微流道內部所沉積的結果 80 圖4- 6 3wt%BSA溶液在不同深度的微流道內部所沉積的結果 82 圖4- 7 BSA在模具上微流道壁邊的殘留情形 82 圖4- 8流道深度 vs.線狀結構的高度 (AFM量測分析) 83 圖4- 9微流道長度分別為1公分和0.5公分(模具設計為圖4.1(a)) 83 圖4- 10微流道長度 vs.揮發所需的時間(scale bar:200μm) 84 圖4- 11 0.5wt%~10.0wt% BSA溶液的揮發沉積(scale bar:200μm) 85 圖4- 12 0.1wt%BSA溶液的沉積情形(scale bar:200μm) 86 圖4- 13 AFM的三維結構圖 86 圖4- 14 AFM的二維量測圖 87 圖4- 15 AFM二維量測圖的截面分析 87 圖4- 16 溶液濃度VS. 二維截面圖的線下面積 88 圖4- 17 溶液濃度 VS. 線狀結構的高度 88 圖4- 18 液滴於不同基板上接觸角的量測 89 圖4- 19 1wt%BSA溶液於不同基板上微流道內部的揮發情形 90 圖4- 20 3wt%BSA溶液於不同基板上微流道內部的揮發情形 91 圖4- 21 BSA溶液在微流道內部於不同基板上揮發沉積的型態 92 圖4- 22 1wt%BSA溶液於不同基板上揮發沉積的AFM量測圖 93 圖4- 23 3wt%BSA溶液於不同基板上揮發沉積的AFM量測圖 94 圖4- 24以AFM分析BSA蛋白質於不同基板上沉積的量 95 圖4- 25螢光染劑與已染色的BSA蛋白質溶液在微流道內部揮發沉積後的螢光圖 95 圖4- 26蛋白質溶液在微流道內揮發沉積後線狀結構的SEM型態圖 96 圖4- 27微流道內部蛋白質溶液的揮發過程-螢光強度的演變: ((50-2-100),微流道長度1cm, 1wt% BSA溶液) 97 圖4- 28微流道內部蛋白質溶液的揮發過程-螢光強度的演變: ((50-2-100),微流道長度1cm, 3wt% BSA溶液) 99 圖4- 29微流道內部蛋白質溶液的揮發過程-螢光強度的演變: ((50-4.5-100),微流道長度1cm, 1wt% BSA溶液) 100 圖4- 30微流道內部蛋白質溶液的揮發過程-螢光強度的演變: ((50-2-100),微流道長度0.5cm, 1wt% BSA溶液) 101 圖4- 31微流道內部蛋白質溶液的揮發過程-螢光強度的演變: ((50-2-100),微流道長度0.5cm, 3wt% BSA溶液) 103 圖4- 32微流道內部蛋白質溶液的揮發過程-螢光強度的演變: ((50-4.5-100),微流道長度0.5cm, 1wt% BSA溶液) 104 圖4- 33揮發方向-微流道的開口端 105 圖4- 34揮發方向 105 圖4- 35以PDMS覆蓋BSA液滴的製作流程 106 圖4- 36 BSA液滴隨時間在PDMS內部的變化(2X) 106 圖4- 37蛋白質溶液在兩種不同模具設計的微流道內部 107 圖4- 38揮發過程中溶液的流動情形 108 圖4- 39 10min-蛋白質溶液在兩邊封閉端的微流道內部之揮發過程 108 圖4- 40 30min-蛋白質溶液在兩邊封閉端的微流道內部之揮發過程 109 圖4- 41 60min-蛋白質溶液在兩邊封閉端的微流道內部之揮發過程 109 圖4- 42 90min-蛋白質溶液在兩邊封閉端的微流道內部之揮發過程 110 圖4- 43 130min-蛋白質溶液在兩邊封閉端的微流道內部之揮發過程 110 圖4- 44四種單一微流道的模具設計 111 圖4- 45蛋白質溶液於圖4- 44(a)微流道內部的沉積型態 112 圖4- 46蛋白質溶液於圖4- 44(d)微流道內部的沉積型態 113 圖4- 47蛋白質溶液於圖4- 44(b)和圖4- 44(c)微流道內部的沉積型態 114 圖4- 48蛋白質溶液於圖4- 44(b)和圖4- 44(c)微流道內部的揮發方向 114 圖4- 49以AFM量測線狀結構的高度(圖4- 44(b)-單根微流道) 115 圖4- 50以AFM量測線狀結構的高度(圖4- 44(c)-單根微流道) 116 圖4- 51以AFM量測線狀結構的高度(圖4- 44(d)-單根微流道) 117 圖4- 52不同濃度SiO2粒子在微流道內部的沉積型態(AFM) 118 圖4- 53不同濃度SiO2粒子在微流道內部的沉積型態(SEM) 119 圖4- 54 SiO2/BSA混合溶液在微流道內部的沉積型態-SEM 120 圖4- 55 SiO2/BSA混合溶液在微流道內部的沉積型態-SEM 121 圖4- 56 SiO2/BSA混合溶液在微流道內部的沉積型態-AFM 122 圖4- 57 SiO2/BSA混合溶液在微流道內部的沉積型態-SEM 123 圖4- 58改變鍛燒時的升溫速率對沉積型態的影響 124 圖4- 59鍛燒前/後線高的比較-AFM 125 圖4- 60鍛燒前/後線高的比較-SEM 125 圖4- 61 SiO2(0.1%)+BSA(1%)混合溶液鍛燒前後的SEM圖 126 圖4- 62利用AFM量測BSA蛋白質溶液存在於SiO2溶液中的差別 127 圖4- 63探討BSA的存在是否為決定粒子沉積量及堆積高度的關鍵 128

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    校外:不公開
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