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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林彥亨
研究生(外文):Yen-Heng Lin
論文名稱:利用介電泳力操控細胞之生物晶片研究
論文名稱(外文):Micro Devices for Cell Manipulation Using Dielectrophoretic Forces
指導教授:李國賓李國賓引用關係
指導教授(外文):Gwo-Bin Lee
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:工程科學系碩博士班
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:91
中文關鍵詞:微機電系統生物晶片細胞晶片細胞操控介電泳微電極晶片型實驗室介電泳力
外文關鍵詞:MEMSbiochipdielectrophoretic forcelab-on-a-chipmicroelectrodedielectrophoresiscell manipulationcell chip
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本研究成功地利用微機電製程技術,設計並製作出一個利用介電泳力操控細胞之生物晶片。研究中首先詳細地介紹介電泳力基本原理,並對其數學模型進行推導;之後利用數值模擬方式,分析介電泳力之各項變數及設計實驗控制參數,並獲得以下模擬結果:(1)移動波式電位場於電極間之分佈。(2)正介電泳力、負介電泳力之力場分佈。(3)移動波式介電泳力之力場分佈。(4)不同初始位置細胞之移動軌跡。

在晶片製作部分,本研究利用微細加工方式,在玻璃基材上製作各式操控細胞用之微電極陣列,並提出一種方便、可靠且具有隨插即用功能的晶片封裝方式,利用標準匯流排PCI插槽,直接與微電極陣列相接,免除打線複雜、耗時之製程,並可重複使用,非常適合生物晶片封裝。

最後,本研究成功地利用各種不同操控模式,對塑膠微粒子及細胞進行操控,並分析其速度、軌跡與施加電場、粒子大小及電極間距之關係。研究發現,數值模擬資料及理論公式均與實驗結果吻合。藉由此研究之成果,相信能對未來應用介電泳力於生物晶片研發上,具有重大之貢獻。
A novel microchip device for manipulation of micro particles and cells using dielectrophoretic forces has been demonstrated in this research. Firstly, principles of dielectrophoresis are reviewed in details and theoretical models of dielectrophoretic forces under different conditions are numerically simulated. Several important parameters including (1) electric filed distributions of traveling waves dielectrophoresis, (2) force distributions of positive and negative dielectrophoretic forces, (3) traveling-wave dielectrophoretic forces, and (4) trace of the cells at different initial positions have been investigated systematically.

The microchips are fabricated on soda-lime glass substrates using MEMS technologies. Microelectrode arrays with different pitches and geometry are designed and fabricated to evaluate the performance of the chips. A simple and reliable method for packaging of the microchips using standard PCI slots has been proposed. The bonding pads on the chip substrates can be directly connected to the attached pins in the slot such that time-consuming wire bonding procedures can be eliminated.

Finally, polystyrene beads and cells are tested using the microchip devices under different manipulation modes. The relation of particle velocity in terms of electric filed, particle size and electrode pitch is verified. Experimental data are highly consistent with theoretical models. Several novel manipulation modes have been demonstrated. The outcomes of this study could have a substantial impact on the development of bio-analytical systems using dielectrophoretic forces.
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。
1. H. A. Pohl, “Dielectrophoresis,” Cambridge University Press, Cambridge, 1978.
2. S. Masuda, M. Washizu, I. Kawabata, ”Movement of Blood Cells in Liquid by Nonuniform Traveling Field,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 24, No. 2, pp. 217-223, 1988.
3. S. Masuda, M. Washizu, T. Nanba, “Novel Method of Cell Fusion in Field Constriction Area in Fluid Integrated Circuit,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 25, No. 4, pp. 732-737, 1989.
4. M. Washizu, T. Nanba, S. Masuda, “Handling of Biological Cells Using Fluid Integrated Circuit,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 25, No. 4, pp. 352-358, 1990.
5. G. Fuhr, R. Hagedorn, T. Muller, “Linear Motion of Dielectric Particles and Living Cells in Microfabricated Structures Induced by Traveling Electric Fields,” Proceeding of IEEE MEMS, pp. 259-264, 1991.
6. M. Washizu, “Manipulation of Biological Objects in Micromachined Structures,” Proceeding of IEEE MEMS, pp. 196-201, 1992.
7. D. C. Chang, B. M. Chassy, J. A. Saunders, A. E. Sowers, “Guide to Electroporation and Electrofusion,” ACADEMIC Press, San Diego, 1992.
8. X. B. Wang, Y. Huang, J. P. H. Burt, G. H. Markx, R. Pethig, “Selective Dielectrophoretic Confinement of Bioparticles in Potential Energy Wells,” Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 26, pp. 1278-1285, 1993.
9. Y. Huang, X. B. Wang, J. A. Tame, R. Pethig, “Electrokinetic Behaviour of Colloidal Particles in Travelling Electric Fields: Studies Using Yeast Cells,” Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 26, pp. 1528-1535, 1993.
10. X. B. Wang, Y. Huang, F. F. Becker, P. R. C. Gascoyne, “A Unified Theory of Dielectrophoresis and Travelling Wave Dielectrophoresis,” Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 27, pp. 1571-1574, 1994.
11. Brum, McKane, karp, “Biology Fundamentals,” John Wiley & Sons Press, New York, pp. 46-64, 1995.
12. M. P. Hughes, R. Pethig, X. B. Wang, “Dielectrophoretic Forces on Particles in Travelling Electric Fields,” Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 28, pp. 474-482, 1995.
13. X. B. Wang, M. P. Hughes, Y. Huang, F. F. Becker, P. R. C. Gascoyne, “Non-uniform Spatial Distributions of Both the Magnitude and Phase of AC Electric Fields Determine Dielectrophoretic Forces,” Biochimica et Biophysica Acta, Vol. 1243, pp. 185-194, 1995.
14. M. S. Talary, J. P. H. Burt, J. A. Tame, R. Pethig, “Electromanipulation and Separation of Cells Using Travelling Electric Fields,” Journal of Physics D: Applied Physics, Vol. 29, pp. 2198-2203, 1996.
15. S. W. Lee, Y. W. Kim, Y. K. Kim, “Determination of Dielectric Constant of Dielectric Particles Using Negative Dielectrophoresis,” IEEE Annual Report – Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, pp. 241-244, 1996.
16. M. Madou, “Fundamentals of Microfabrication,” CRC Press, 1997.
17. H. Morgan, N. G. Green, M. P. Hughes, W. Monaghan, T. C. Tan, “Large-area Travelling-wave Dielectrophoresis Particle Separator,” Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 7, pp. 65-70, 1997.
18. R. Pethig, G. H. Markx, “Applications of Dielectrophoresis in Biotechnology,” TIBTECH, Vol. 15, pp. 426-432, 1997.
19. X. B. Wang, Y. Huang, P. R. C. Gascoyne, F. F. Becker, “Dielectrophoretic Manipulation of Particles,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 33, No. 3, pp. 660-669, 1997.
20. K. L. Chan, N. G. Green, M. P. Hughes, H. Morgan, “Cellular Characterization and Separation: Dielectrophoretically Activated Cell Sorting,” Proceeding of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, Vol. 20, No. 6, pp. 2953-2956, 1998.
21. J. Rousselet, G. H. Markx, R. Pethig, “Separation of Erythrocytes and Latex Beads by Dieletrophoretic Levitation and Hyperlayer Field-Flow Fractionation,” Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, Vol. 140, pp. 209-216, 1998.
22. A. Desai, S. W. Lee, Y. C. Tai, “A MEMS Electrostatic Particle Transportation System,” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 73, pp. 37-44, 1999.
23. T. Schnelle, T. Muller, R. Hagedorn, A. Voigt, G. Fuhr, “Single Micro Electrode Dielectrophoretic Tweezers for Manipulation of Suspended Cells and Particles,” Biochimica et Biophysica Acta, Vol. 1428, pp. 99-105, 1999.
24. S. W. Lee, Y. C. Tai, “A Micro Cell Lysis Devices,” Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 73, pp. 74-79, 1999.
25. J. Yang, Y. Huang, X. B. Wang, F. F. Becker, P. R. C. Gascoyne, “Cell Separation on Microfabricated Electrodes Using Dielectrophoretic / Gravitational Field-Flow Fractionation,” Analytical Chemistry, Vol. 71, No. 5, pp. 911-918, 1999.
26. L. Cui, H. Morgan, “Design and Fabrication of Travelling Wave Dielectrophoresis Structures,” Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 10, pp. 72-79, 2000.
27. X. B. Wang, J. Yang, Y. Huang, J. Vykoukal, F. F. Becker, P. R. C. Gascoyne, “Cell Separation by Dielectrophoretic Field-Flow Frationatuon,” Analytical Chemistry, Vol. 72, No. 4, pp. 832-839, 2000.
28. W. Michael Arnold, “Positioning and Levitation Media for the Separation of Biological Cells,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 37, No. 5, pp. 1468-1475, 2001.
29. J. Zhang, K. L. Tan, G. D. Hong, L. J. Yang, H. Q. Gong, “Polymerization Optimization of SU-8 Photoresist and its Applications in Microfluidic Systems and MEMS,” Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 11, pp. 20-26, 2001.
30. C. H. Lin, G. B. Lee, B. W. Chang, G. L. Chang, “A New Fabrication Process of Ultrathick Microfluidic Microstructures Utilizing SU-8 Photoresist,” Journal of Micromechanics and Microengineering, 2002.
31. Data Sheet for NANOTM SU-8 Negative Tone Photoresists, Formulations 50 & 100, released by MICRO-CHEM. Corp.
32. 莊達人, “VLSI製造技術,” 高立圖書, 台北, 1997。
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