目 錄 中文摘要...........................................................................ii Abstract.............................................................................iii 誌謝...................................................................................v 目錄.................................................................................vii 表目錄...............................................................................x 圖目錄..............................................................................xi 符號說明........................................................................xix 第一章 緒論 1-1 前言.............................................................................1 1-2 微機電系統.................................................................2 1-3 細胞晶片模組.............................................................3 1-3-1 細胞固定、傳輸及分離模組..................................3 1-3-2 細胞對位相關應用模組..........................................6 1-3-3 細胞量測模組..........................................................7 1-3-4 細胞分類模組..........................................................8 1-4 研究動機與目的.........................................................9 1-5 研究方法.....................................................................9 1-6 文獻回顧....................................................................11 第二章 理論及數值模擬 2-1 細胞操控原理............................................................16 2-1-1電偶極的誘導..........................................................16 2-1-2不規則電場..............................................................18 2-1-3移動波式電場..........................................................19 2-1-4其它因素之探討......................................................21 2-2 介電泳力之數學理論模型........................................23 2-3 數值模擬....................................................................27 2-3-1 電場模擬結果與討論.............................................27 2-3-2 力場模擬結果與討論.............................................30 2-3-3 細胞移動軌跡模擬結果與討論.............................33 第三章 細胞晶片之設計及製作 3-1 晶片設計....................................................................35 3-2 光罩製作....................................................................38 3-3 晶片製程....................................................................39 3-3-1 晶片清洗.................................................................41 3-3-2 金屬蒸鍍.................................................................43 3-3-3 微影及金屬蝕刻.....................................................45 3-3-4 SU-8結構.................................................................50 3-4 晶片封裝....................................................................55 第四章 結果與討論 4-1 細胞結構與特性........................................................58 4-2 實驗裝置....................................................................60 4-3 操控結果與討論........................................................63 4-3-1 電極吸附及排斥操控.............................................63 4-3-2 步進操控.................................................................65 4-3-3 往返操控.................................................................67 4-3-4 直線軌跡移動操控及其理論驗證.........................71 4-3-5 細胞集中操控.........................................................77 4-3-6 細胞移動操控.........................................................78 第五章 結論與未來展望 5-1 結論............................................................................79 5-2 未來展望....................................................................80 參考資料..........................................................................82 自述..................................................................................87 著作..................................................................................88 表 目 錄 表2-1. ...............................................................................22 介電泳力與電泳力比較。 表3-1. ...............................................................................36 八款不同電極設計之晶片。 表3-2. ...............................................................................37 細胞移動速度（U）與電極疏密度（λ） 關係之設計。 表3-3. ...............................................................................37 細胞移動速度（U）與電極陣列間距大小 （w）關係之設計。 表3-4. ...............................................................................37 細胞移動速度（U）與電場大小（E）關係 之設計。 表3-5. ...............................................................................37 細胞移動速度（U）與細胞大小（D）關係 之設計。 表3-6. ...............................................................................38 三種不同材質之光罩比較。 表3-7. ...............................................................................42 RCA清潔步驟整理。 表3-8. ...............................................................................42 常見玻璃清潔步驟整理。 圖 目 錄 圖1-1. ................................................................................4 外加等相位差之弦波於連續電極陣列上， 可造成移動波式電場，此電場所產生之介 電泳力可固定或驅動細胞。 圖1-2. ................................................................................5 利用能量井電極安排方式，使細菌因正介 電泳力被吸附在電極邊緣；而紅血球細胞 因負介電泳力被電極排斥在中央，達到細 胞分離效果。 圖1-3. ................................................................................5 連續的電極陣列，配合每四個電極一組且 相位差各差90°之弦波，來製造移動波式 電場，以分離細胞。 圖1-4. ................................................................................5 不同介電性質之粒子，受負介電泳力大小 不同，而抬昇高度不同，再以外加位於完 全展開區之拋物線型流場分離。 圖1-5. ................................................................................6 利用介電泳力進行對位之細胞融合模組。 細胞A與細胞B經兩不同流道注入，到中段 時因受介電泳力而緊密相貼，以利融合。 圖1-6. ................................................................................6 利用介電泳力將細胞與胞解電極尖端進行 對位，以利胞解。 圖1-7. ................................................................................7 四個包圍細胞之電極，外加相位差各90°之 電場，可量測細胞介電性質。 圖1-8. ................................................................................7 細胞在兩電極間，受負介電泳力抬昇高度不 同，可反推出其介電性質。 圖1-9. ................................................................................8 外加流場推進之細胞，經介電泳力引導可形 成一分為二的細胞分類模組。 圖1-10. ..............................................................................8 原先被橫向傳輸的各種細胞，經光偵測器的 辨識，即可透過適當的電路切換，達到縱向 傳輸分類的功能。 圖1-11. .............................................................................10 實驗方法方塊示意圖。 圖1-12. .............................................................................12 等相位差之弦波加於連續電極陣列上，可造 成移動波式電場。 圖1-13. .............................................................................13 移動波式電場所產生之介電泳力，可使細胞 做直線移動。 圖1-14. .............................................................................15 利用傳輸匯流排（busbar）概念，可將原本 一個電極必須一個導線接點的數量，降低到 欲輸入相位的個數即可，此概念大幅提高在 固定距離內，電極安排的數量。 圖2-1. ...............................................................................17 （a）細胞之極化能力大於溶液，所誘導出之 電偶極方向恰與電場方向相同，此時細胞膜 上電荷的電性與鄰近的電極相異。（b）溶液 的極化能力大於細胞，所誘導出之電偶極方 向恰與電場方向相反，此時膜上電荷的電性 與鄰近的電極相同。 圖2-2. ...............................................................................19 （a）細胞之極化能力大於溶液，此時細胞 被正介電泳力吸引。（b）溶液之極化能力 大於細胞，此時細胞被負介電泳力排斥。 圖2-3. ...............................................................................20 細胞在移動波式電場中的受力情形。 圖2-4. ...............................................................................26 細胞在兩電極陣列間受力情形。 圖2-5. ...............................................................................27 電極設計之示意圖。 圖2-6. ...............................................................................28 由上往下移動半個週期的電位分佈圖。 圖2-7. ...............................................................................29 細胞步進操控模式之電位分佈情形。 圖2-8. ...............................................................................31 正介電泳力在電極上分佈情形。 圖2-9. ...............................................................................32 負介電泳力在電極上分佈情形。 圖2-10. .............................................................................32 移動波式介電泳力在電極上分佈情形。 圖2-11. .............................................................................34 負介電泳力條件下，以數值方法計算出之 10個不同起始點細胞移動的軌跡。 圖3-1. ...............................................................................35 細胞操控晶片設計圖，其中左邊橢圓標記 部分為細胞操控區，其餘為控制訊號傳導 電路。 圖3-2. ...............................................................................36 操控區之局部放大圖，de、ds及w分別為電 極設計之參數。 圖3-3. ...............................................................................39 晶片繪製軟體之工作環境。 圖3-4. ...............................................................................40 晶片製程示意圖。 圖3-5. ...............................................................................43 晶片清洗裝置圖。 圖3-6. ...............................................................................44 電子束蒸鍍設備。 圖3-7. ...............................................................................48 細胞晶片成品。 圖3-8. ...............................................................................49 不同間距的操控電極完成品。 圖3-9. ...............................................................................50 SU-8光阻塗佈轉速與厚度的關係。 圖3-10. .............................................................................52 SU-8厚膜光阻50μm之曝光參數最佳化。 圖3-11. .............................................................................54 SU-8光阻結構，兩電極陣列間的微管道可 限制細胞的操控區，左右兩邊的凹槽為細 胞樣品儲存槽。 圖3-12. .............................................................................54 表面粗度儀（Alpha step）量測出SU-8結 構的高度，約為46μm。 圖3-13. .............................................................................56 利用電腦PCI插槽作為晶片封裝之連接器， 圖為晶片封裝完成之全貌，左上角為4個訊 號輸入點。 圖3-14. .............................................................................56 適當的設計晶片外接電極的間距及寬度，配 合PCI插槽，可使晶片上的每一個電極對應 到插槽上的各個接腳。 圖3-15. .............................................................................57 相同相位訊號之電極焊接在同一電路上，製 造移動波式電場操控細胞。 圖3-16. .............................................................................57 封裝完成晶片之細胞操控區局部放大圖。 圖4-1. ...............................................................................58 細胞膜由雙層磷脂質所組成，具有良好的介 電性質。 圖4-2. ...............................................................................59 10 μm聚苯乙烯珠放大250倍影像。 圖4-3. ...............................................................................60 經過48小時培養之細胞。 圖4-4. ...............................................................................60 溶解於生理食鹽水分散開之細胞。 圖4-5. ...............................................................................61 系統架設方塊圖。 圖4-6. ...............................................................................61 細胞操控實驗觀察於長工作距離顯微鏡下。 圖4-7. ...............................................................................62 可同時輸出多個等相位差波形之訊號產生器。 圖4-8. ...............................................................................62 顯微鏡上方架設CCD監控器，將影像輸出至 電腦記錄。 圖4-9. ...............................................................................63 粒子受到負介電泳力之行為。（a）未施加 電壓粒子隨機分佈。（b）施加低頻電壓後 粒子被電極排斥，粒子因被抬昇而脫離顯微 鏡之焦距。 圖4-10. .............................................................................64 隨機分佈的微粒子受到正介電泳力而被電極 吸引。（a）未施加電壓粒子隨機分佈。（b） 施加高頻電壓後粒子被電極吸引。 圖4-11. .............................................................................66 (a)～(f)為粒子由下方往上方步進移動。 圖4-12. .............................................................................68 粒子往返操控於電極之間。(a)～(d)為向 上移動，(e)～(f)為折返移動。 圖4-13. .............................................................................70 每隔4個電極的粒子有相同操控行為。 (a)～(i)為向上移動，(j)～(p)為折返。 圖4-14. .............................................................................72 粒子受移動波式電場的影響下在兩電極陣 列中直線移動。 圖4-15. .............................................................................73 移動速度與外加電壓關係之實驗結果。 圖4-16. .............................................................................74 移動速度與電極疏密度關係之實驗結果。 圖4-17. .............................................................................75 移動速度與粒子大小關係之實驗結果。 圖4-18. .............................................................................76 移動速度與電極陣列間距關係之實驗結果。 圖4-19. .............................................................................77 酵母菌細胞集中於電極中央。（a）未加 電壓細胞散佈於電極上。（b）電壓施加 後細胞集中排列於電極中。 圖4-20. .............................................................................77 酵母菌細胞吸附於電極邊緣。（a）未加 電壓細胞散佈於電極上。（b）電壓施加 後細胞吸附於電極邊緣。 圖4-21. .............................................................................78 酵母菌細胞在50 KHz低頻電壓下直線移動 情形。（a）～（d）為細胞由上往下直線 移動。