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应用电动力捕捉微粒于微圆柱阵列晶片之研究the study of microfluidic
第十四屆 全國計算流體 力學學術研討會
The 14th National Computational Fluid Dynamics Conference
應用電動力捕捉微粒於微圓柱陣列晶片之研究
The study of microfluidic chip with cylindrical micropillars array for Trapping
of bioparticles based on electrokinetics
莊承鑫、呂金塗、魏慶華、呂建堂、徐佑銘
南台科技大學機械工程系
摘要
本研究利用 SU-8厚膜光阻材料製作微圓柱陣列以及微流管道,並於微圓柱陣列兩端施加直流電
壓,致使生物微粒於微流管道中因電滲透流場驅動而由負極流向正極,但於微圓柱陣列中其電力線受
到具電氣絕緣之 SU-8圓柱分佈而產生扭曲變化,因而形成一非均勻電場,生物微粒亦將受介電泳力
之驅使往高、低電場區域所移動,進而達到操控及分離生物微粒之功能。本研究中分別設計平行式與
交錯式圓柱陣列,圓柱直徑(D)為 50µm 、100µm、200µm ,間距(G)則固定為 50µm ,並藉由CFD-RC(CFD
Research Corporation)模擬軟體,探討圓柱陣列結構之排列方式與尺寸大小對介電泳力與電滲流之影
響,包括介電泳力所對應的電場平方之梯度分佈、以及電滲流流速與流場分佈等,進而獲得較佳的結
構設計。由模擬結果顯示,在固定間距下,圓柱直徑越小所產生電場平方之梯度則越大,也就是會產
生較大的介電泳力且微粒會趨向於弱電場區域;此外,而電滲流流速會因為圓柱直徑增大而越快,且
與陣列排列方式相關,平行式圓柱陣列所產生之流速比交錯式要快。最後,模擬結果亦與實驗結果相
互驗證,實驗顯示,16µm 之乳膠粒子其電滲流之最小驅動電壓為 10V ,且較小尺寸之圓柱結構下有
較佳的捕捉效果。
關鍵字:介電泳、微結構、 SU-8 、電滲流
一、前言 後有相當良好之化學安定性,因此用來製作本實
目前醫學分析技術 [1]的重要發展方向已朝 驗之微圓柱陣列與微流道。
向微型化分析 (microminiaturized analyzer) ,以進
行樣品前處理、混合、傳輸、分離和偵測等程序, 二、介電泳與電滲流之原理
通常這些機制都是微型分析過程或分析過程的 介電泳效應(Dielectrophorisis , DEP)之原理
某部份,且利用較便宜的玻璃、塑膠或矽晶片來 是由 H.A Pohl在 1951 年所提出[3] ,主要探討
製作。而傳統上微機電加工所製作微型元件多以 微小未帶電荷中性粒子懸浮在緩衝溶液中,受到
矽晶片為基材,利用矽晶片加工雖然可以製作出 外加的非均勻交流電場作用下,使得未帶電荷粒
精確度極高之元件,但其製程複雜、昂貴,且矽 子產生極化誘發偶極距,且此電偶極距之方向會
之生物相容性不佳,長期而言具有生物毒性,加 隨著粒子與其懸浮液間極化能力 (Polarizability)
上材料不透光,不利於檢驗時之觀察與訊號量 的相對關係而改變。若粒子電偶極距方向指向高
測。然而高分子材料 [2]具有良好之透光性、生 電場強度區域,造成微小粒子往高電場強度區域
物相容性、抗化學腐蝕以及機械強度,且製程方 移動,稱為正介電泳效應 (positive DEP) ;而相反
法簡單便宜,非常適合各種生物醫學及化學檢 的,若粒子電偶極距方向指向低電場強度區域,
測,而本實驗則選用 SU-8厚膜光阻,其具有製作 則
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