本論文的研究緣起是為了探討在高頻交流電場作用下，量子點(QDs)形成向序性組裝對其螢光生命週期及 FRET 檢測影響之延伸議題。根據實驗室先前的研究發現，於電極角落呈現向序性組裝的 QDs 其螢光訊號和生命週期會隨電場開關產生響應，而電極內部無序聚集的 QDs 則無。本研究中將利用在尖銳電極邊緣產生局部放大電場該特性，來增強上述所觀察到的奇特現象，藉由不同設計的尖銳電極，探討在交流電荷驅動下對膠體粒子及分子捕捉的各種可能性。
在第三章以鎢絲製備的奈米針尖作為電極，分別觀察在去離子水溶液中的奈米膠體量子點(QD)、次微米 G900 乳膠粒子(latex)、微米二氧化矽粒子(silica)以及 λDNA 分子於 20Vpp 交流電場作用下的捕捉行為。在高頻率 10 MHz 下，於針尖觀察到由交流電熱流(ACET)形成的局部噴流，會將 latex 粒子往外噴出。在100 kHz 時，觀察到由交流電滲流(ACEO)產生的微漩渦會將溶液中分散的粒子帶至針尖周圍。當頻率降低到 10 kHz，藉由 ACEO 渦流帶至針尖周圍的 QDs、latex粒子和 λDNAs 分子可以進一步透過尖端附近的正介電泳(p-DEP)作用被成功捕捉至針尖表面。
在第四章使用奈米針尖來捕捉 QDs，並以 QDs 作為探針，對目標單鏈 DNAs分子進行螢光共振能量轉移(FRET)檢測。實驗結果發現，和 10 分鐘氧電漿改質後的針尖相比，經過 20 分鐘改質的鎢絲針尖捕獲了更多 QDs 且 QDs 在針尖表面的分布也較為均勻。此外，在週期性重複開/關電場時，被捕捉在針尖尖端上的 QDs 和其相對應的 FRET 訊號會產生明暗的規律訊號響應，而在針尖內部的響應則相對不明顯。推測經由氧電漿處理後的針尖表面帶有負電離子能促進 QDs的捕捉及定向排列，進而使電場作用下 QDs 間的誘導偶極矩相互對齊，因此在開關電場時 QD 和其相應的 FRET 訊號能產生規律的響應。
第五章使用氧化銦錫(ITO)製備尖角電極，並施加交流電場對 QDs 進行捕捉，觀察到QDs 被流動帶往電極內部並形成一個明顯的匯集點，但是該匯集模式只在電場作用下才得以維持，當電場關閉後 QDs 立即散開。而上述問題可透過額外添加無螢光的微米 latex 粒子來解決，實驗顯示在電極尖端附近的邊緣上能成功捕獲 QDs。值得注意的是由於尖端較強的焦耳熱效應會形成嚴重的 ACET 局部噴流，使 QDs 無法被捕捉在電極的尖端處。
在第六章我們提出一種全新的電極設計，在尖角電極的周圍設計了一個 V 形電極對，透過朝著電極尖端逐漸變窄的流道，促使 ACEO 漩渦往電極的尖端匯集，形成一股整流的作用。在電場開啟後，QDs 大量堆積在電極的尖端周圍。此外，被捕捉在電極上的 QDs 於開電場時會因頻率不同而產生不同的發光響應，在 3 kHz 時開啟電場會使 QDs 發生螢光淬滅且其螢光強度會隨時間持續下降，相反地，在 5 kHz 時開啟電場則使 QDs 放光增強且螢光強度隨時間持續爬升。這些發現意味著，在交流電場作用下，不同頻率會影響定向組裝的 QDs 間誘導偶極矩的排列進而影響 QDs 的放光行為。接著以捕捉在電極上的 QDs 進行 FRET檢測，發現在 QDs 大量堆積的情況下，因群聚的 QDs 彼此間發生螢光淬滅，使其相應的 FRET 訊號相對微弱。
在第七章以 ITO 城垛微電極施加 20 Vpp 交流電場對高導電度溶液的大腸桿菌(E. coli)進行捕捉。在電場頻率 MHz 範圍內，大量的 E. coli 會在交流電場作用下經由正介電泳(p-DEP)及交流電熱流(ACET)的輔助，瞬間沿著城垛電極邊緣被捕獲，且在電極之間的區域形成串鏈結構。當頻率降至 100 kHz，交流電滲流(ACEO)會先將 E. coli 快速匯集至電極內部，隨後再藉由負介電泳(n-DEP)作用將E. coli 捕獲在電極的內部中央並持續形成堆積。在比 100 kHz 更低的頻率下，會發現 AC 流動的效應增強，逐漸超過了負介電泳(n-DEP)的捕捉作用，導致堆積在電極內部的 E. coli 減少。上述結果證實在交流電場作用下，調控適當的 AC 流動及 DEP 作用是影響捕捉成功與否的關鍵因素。

Taking advantage of the intensified local electric field around a sharp electrode
corner, we design various sharp electrode geometries to explore possible colloidal
and molecular trapping with AC electrokinetic effects. We first employed a sharp
nanotip prepared by a tungsten wire and found an ejection of latex particles from
the tip due to ACET. We then combined a nanotip with QDs as probes to conduct
Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET) detection for target singlestranded DNAs. With the aid of 20 minute O2 plasma exposure over the nanotip, the emission of trapped QDs at the tip and the corresponding FRET signals exhibit an in-phase synchronization during a repetitive on/off of the applied AC field. In the use of a sharp wedge electrode (ITO), we overcome the problem of temporary trapping of QDs by adding additional micron-sized particles. Interestingly, there is no trapping at the tip because of the local ACET injection. We further put forth to use a new electrode design by having a sharp wedge electrode with V-shaped electrode surrounded. The converging inter-electrode gap rectifies ACEO vortices to form a pumping towards the tip, contributing an apparent trapping of QDs. In the castellated microelectrode arrays, we found rapid trapping of E. coli by p-DEP assisted with ACET in the MHz regime. At 100 kHz, the accumulation of E. coli can be observed due to rapid focusing by ACEO and subsequent trapping by n-DEP.

Blount, Z. D. (2015). The natural history of model organisms: the unexhausted
potential of E.coli. eLife, 4, 05826.

Chang, W. T., Hwang, I. S., Chang, M. T., Lin, C. Y., Hsu, W. H., and Hou, J. L. (2012).
Method of electrochemical etching of tungsten tips with controllable profiles.
Review of Scientific Instruments , 83(8), 83704.

Eberly, A. R., Beebout, C. J., Tong, C. M. C., Van Horn, G. T., Green, H. D., Fitzgerald,
M. J., De, S., Apple, E. K., Schrimpe-Rutledge, A. C., Codreanu, S. G., Sherrod,
S. D., McLean, J. A., Clayton, D.B., Stratton, C. W., Schmitz, J. E., and
Hadjifrangiskou, M. (2020). Defining a molecular signature for uropathogenic
versus urocolonizing Escherichia coli: the status of the field and new clinical
opportunities. Journal of molecular biology, 432(4), 786-804.

Gagnon, Z. R., and Chang, H. C. (2009). Electrothermal AC electro-osmosis. Appl.
Phys. Lett., 94(2), 024101.

Green, N. G., Ramos, A., González, A., Morgan, H., and Castellanos, A. (2002). Fluid
flow induced by nonuniform ac electric fields in electrolytes on microelectrodes.
III. Observation of streamlines and numerical simulation. Phys. Rev. E Stat Nonlin
Soft Matter Phys, 66(2), 026305.

Huang, C. C., Bazant, M. Z., and Thorsen, T. (2010). Ultrafast high-pressure AC
electro-osmotic pumps for portable biomedical microfluidics. Lab on a Chip,
10(1), 80-85.

Jackson, J. D. (1998). Classical Electrodynamics. United States: Wiley.

Khoshmanesh, K., Nahavandi, S., Baratchi, S., Mitchell, A., and Kalantar-zadeh, K.
(2011). Dielectrophoretic platforms for bio-microfluidic systems. Biosensors and
Bioelectronics, 26(5), 1800-1814.

Kumar, S., and Telpande, S. (2020). Novel electrode geometry for high performance
CF/Fe2O3 based planar solid state micro-electrochemical capacitors. Nanoscale,
12(37), 19438-19449.

Lehmuskero, A., Johansson, P., Rubinsztein-Dunlop, H., Tong, L., and Kall, M. (2015).
Laser trapping of colloidal metal nanoparticles. ACS nano, 9(4), 3453-3469.
Macklin, D. N., Ahn-Horst, T. A., Choi, H., Ruggero, N. A., Carrera, J., Mason, J. C.,
Sun, G., Agmon, E., Defelice, M. M., Maayan, I., Lane, K., Spanhler, R. K., Gillies,
T. E., Paull, M. L., Akhter, S., Bray, S. R., Weaver, D. S., Keseler, I. M., Karp, P.

D., Morrison, J.H., and Covert, M. W. (2020). Simultaneous cross-evaluation of
heterogeneous E.coli datasets via mechanistic simulation. Science, 369(6502),
eaav3751.

Moon, H. S., Kwon, K., Kim, S. I., Han, H., Sohn, J., Lee, S., and Jung, H. I. (2011).
Continuous separation of breast cancer cells from blood samples using multiorifice flow fractionation (MOFF) and dielectrophoresis (DEP). Lab on a Chip,
11(6), 1118-1125.

Morgan, H., and Green, N. G. (2003). AC Electrokinetic: Colloids and Nanoparticles.
Baldock, UK: Research Studies.

Pohl, H. A., Pollock, K., and Crane, J. S. (1978). Dielectrophoretic force: A comparison of theory and experiment. Journal of Biological Physics, 6, 133-160.
Ramos, A., Morgan, H., Green, N. G., and Castellanos, A. (1998). AC electrokinetics:
a review of forces in microelectrode structures. Journal of Physics D: Applied
Physics, 31(18), 2338.

Thomas, R. S., Morgan, H., and Green, N. G. (2009). Negative DEP traps for single
cell immobilization. Lab on a Chip, 9(11), 1534-1540.

Urbanski, J. P., Thorsen, T., Levitan, J. A., and Bazant, M. Z. (2006). Fast AC electroosmotic micropumps with nonplanar electrodes. Applied Physics Letters, 89(14), 143508.

Wang, L., Xiao, L., Gu, H., and Sun, H. (2019). Advances in alternating current
electroluminescent devices. Advanced Optical Materials, 7(7), 1801154.

Yang, K., and Wu, J. (2008). Investigation of microflow reversal by AC electrokinetics
in orthogonal electrodes for micropump design. Biomicrofluidics, 2(2), 024101.

陳信龍 (2011)。膠體粒子交互作用與單一高分子鏈構形變化之偵測與診斷。國立成功大學化工所碩士論文。

劉哲呈 (2019)。導電針尖因交流電場所致之粒子捕捉及流動現象。國立成功大學化工所碩士論文。

林毓婷 (2020)。以交流電熱流進行分子捕捉並用於促進 FRET 生物分子檢測。國立成功大學化工所碩士論文。

黃若昀 (2020)。組裝量子點於交流電場下螢光生命週期的表現及其對 FRET 分子檢測的影響。國立成功大學化工所碩士論文。

張育瑄 (2021)。局部熱致電雙層極化所誘發之交流電荷動力流動。國立成功大學化工所碩士論文。

黃鴻毓 (2022)。電極幾何型態能定性上影響交流電致流動特性。國立成功大學化工所碩士論文。

吳奇 (2022)。藉由表面改質調控導電奈米針尖周圍的交流電致流動。國立成功大學化工所碩士論文