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簡易微流體驅動裝置之開發

由於微流體技術具有試劑用量少、可平行處理數種流體、反應速度快、靈敏度高及成本低等優點,因此近年來已有大量研究人員投入相關應用之開發,如在單一微系統晶片上完成複雜之生化或化學分析的微全分析系統 (micro total analysis system, µTAS),或是將傳統實驗室微縮至單一晶片上操作的實驗室晶片 (labon-a-chip)。其中用來驅動流體並控制混合反應時序的微幫浦即為關鍵裝置之一,已有許多相關文獻報導,例如內建於微流體晶片的微流體驅動裝置 (如電滲流式微幫浦) 等。雖然其具有不需組裝及耦合等優點,但多僅適用於驅動特殊的工作流體 (如酸鹼值匹配的緩衝液),而晶片製作成本較高及消耗功率大亦是其缺點。另外亦有採用與晶片分離的流體驅動裝置 (如壓電式薄膜微幫浦),可降低晶片成本,然而傳統分離式微幫浦在搭配可拋棄式晶片使用時,需以人工對位組裝,並用適當口徑的管路將微幫浦輸出端及晶片的注入口加以連結耦合。當流體系統處理的樣本或試劑數目增加時,組裝複雜度將隨之增加,兩者間耦合處理的難度 (如密封性要求) 亦將大幅提升。

為解決上述問題並簡化操作微流體相關實驗時的困難度,本研究提出一新穎的微流體驅動裝置,採用聚二甲基矽氧烷 (PDMS) 密封液體元件之設計,搭配合適的熱電控制元件,即可用來驅動微流體晶片上的各工作流體,具有簡化組裝程序、低成本及可程序控制等優點。

圖一、PDMS 密封液體元件
圖一、PDMS 密封液體元件
圖二、微流體驅動裝置操作原理
圖二、微流體驅動裝置操作原理

設計原理

本研究所提出的 PDMS 密封液體元件概念架構如圖一 (a) 所示,包含一個以 PDMS 所構成的腔體,用來承載液體並內嵌一傳遞熱能的導熱塊,另外開口端則以 PDMS 薄膜進行密封。其工作原理為加熱 PDMS 腔體內的液體,使液體蒸發速率上升且體積膨脹,此時由於密封腔體內的壓力增加因而導致薄膜產生變形,如圖一 (b) 所示。加熱元件的選擇可視系統的規格需求做合適的搭配,本研究所採用的加熱元件為一般商用之熱電散熱器/加熱器 (thermoelectric cooler/heater),並連結電路控制板以監控操作溫度。整合微流體晶片之操作如圖二所示,將試劑注射入晶片上的注入口後,可利用機構或重物提供預力,使 PDMS 薄膜緊貼於晶片注入口。由於彈性高分子薄膜可與晶片表面緊密接觸,因此可達成良好的密封狀態。此時透過熱電加熱器驅動薄膜產生變形,促使注入口內的氣體壓縮產生壓力,當壓力大於晶片上閥門的壓差時即可驅動流體突破閥門往前流動。由於僅需簡單的對位組裝,且可免去複雜的管路連結,使實驗設計更具彈性且擴充性高。而流體時序則可藉由控制加溫來產生不同的驅動壓差,並搭配閥門設計即可達成。

製作及實驗結果

圖三、元件製作結果
圖三、元件製作結果

圖三為製作完成之 PDMS 密封液體元件,面積大小為 2.5 cm2 而厚度則為 1 cm,腔體直徑為 1 cm,而 PDMS 薄膜厚度為 300 µm,注入的工作液體為 200 µL 的水。本研究首先針對元件操作特性,如輸出體積及程序控制等進行測試。

圖四所示為輸入電流 ≤ 1 A 時,量測所得 PDMS 薄膜中心位移量變化 (輸出體積)。由結果可知,此微流體驅動裝置在表面操作溫度小於 37 °C 時,可傳送大於 10 µL 體積的流體。而隨時間切換輸入熱電加熱器的電流值,可控制 PDMS 薄膜的變形量,以達成傳送流體時所需的時序控制。圖五即為隨時間切換電流大小,量測元件的輸出體積變化,其中切換時間與生化反應所需時間相當。由結果可發現隨電流值的升降,輸出體積亦會相對調整,若搭配晶片上的閥門設計,則可驅動流體進行推進-停止的循環控制,即可操控不同試劑的反應時間及注入順序。

圖四、元件輸出體積量測結果
圖四、元件輸出體積量測結果
圖五、時序輸出測試結果
圖五、時序輸出測試結果
圖六、驅動微流道內流體測試結果
圖六、驅動微流道內流體測試結果

本研究亦實際搭配微流體晶片進行流體驅動實驗,實驗架設則如圖二所示。由圖六的實驗結果可看出,利用此簡易的微流體驅動裝置,可成功的將原注入於晶片微流道中的數段流體 (中間相隔空氣,圖中以各色箭號區隔),由下方流道往上方流道傳送。由於各實驗對流體操控的要求不盡相同,例如需要更低的操作溫度或更快的響應速度,則可更換揮發性更高的密封液體 (如酒精) 或改變其注入體積。本研究所提出的微流體驅動裝置具較大的設計彈性,可視實際情況略做調整來滿足實驗需求。

奈米技術組 殷宏林

儀科中心簡訊 77 期:中華民國 95 年 10 月 31 日出版

更新日期:2006 年 10 月 31 日