介电泳动 承先启后的奈米操纵术.pdf

介電泳動─承先啟後的奈米操縱術 文/粘正勳、邱聞鋒 在眾多推陳出新的奈米級操控技術當中，「介電泳動 (dielectrophoresis)」似乎是個鮮為人知的項目。這 或許是因為它所涉及的儀器架構和經費規模，都遠不如一般印象中的「尖端科技」，舉例來說：高中理化實驗教 室的設備，其實和該技術的基本需求是相去不遠的。然而，本文即將指出：這套老少咸宜的方法，其實潛藏著 豐富的想像空間，進而可以在越來越多的不同場合中履建奇功。因此，透過這項技術的回顧和展望，「奈米科技」 不僅再次彰顯其跨領域的特質，更難得地展現其平易近人的一面。 本文將依時序的推移，針對「介電泳動 (dielectrophoresis)」的前世今生略做導覽。我們首 先概述左右帶電微粒的「電泳」方法，進而討論中性 微粒的操控技術，其中的應用實例多以奈米碳管為 主。至於比較耐人尋味的話題，諸如：「物理人何以在 圖一：「電泳」現象的簡單示意圖。[1] 電泳的風雲年代中缺席？」，「介電泳動是否夠物 理？」，以及「雕蟲小技 vs. 博大精深」等思緒，都 在此我們先利用圖一的簡單示意，定量說明「電 將留待讀者們的下午茶時間。 泳」的基本工作原理： 作用在帶電微粒上的運動力 = q˙E (1) 一、電泳 (electrophoresis) (其中q = 微粒所帶的電荷；E = 電場強度) 作用在帶電微粒上的阻滯力 =β˙v (2) 介電泳動(dielectrophoresis)技術的前身，當然 (其中β = 阻滯係數，是由微粒的大小和形狀以及間 就是眾所周知的「電泳」現象，亦即：帶電荷的微粒 質的特性來決定； v = 帶電微粒的運動速率) 在電場的作用之下，於靜止的液體中所進行的運動。 當帶電微粒的運動達到等速時，以上兩力必須平衡 如果我們進一步調配液體的種類或濃度，或添加一些 （即：(1) = (2)），因此可以得知： 掺雜其間的纖維等物，或甚至改變液體的形態而以凝 v = (q˙E)/β (3) 膠取代之，我們就得以操控游動其中的帶電微粒和這 為了便於定量的比較，我們可以進一步定義「電泳運 些「間質 (matrix)」之間的交互作用，使得不同的帶 ： 電粒子依照某些特性（譬如：長度、分子量等）而在 μ≡ v/E = q/β (4) 游動過程中分離開來。瑞典籍的生化學家 Arne 其值愈大，就代表此帶電微粒在該間質中的電泳運動 Tiselius，便率先充分利用了這項（看似）簡單的物 愈容易。 理原理，而於1937年精心設計出一套分離蛋白質的電 泳裝置，並從此開展了今日生物和化學領域都十分倚 圖二則示意了「Tiselius管」，亦即 1930年 重的整個電泳科技。由於這項貢獻及其在血清蛋白分 Tiselius於畢業論文中所設計的電泳觀測裝置，而利 析上的斐然成就，Tiselius於 1948年（在其家鄉）