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研究生:陳韋志
研究生(外文):Wei-Chih Chen
論文名稱:快速檢測甲醇之微流體整合型晶片
論文名稱(外文):Rapid detection of methanol concentration in alcohol on an integrating microfluidic chip
指導教授:傅龍明蔡建雄蔡建雄引用關係
指導教授(外文):Lung-Ming FuChien-Hsiung Tsai
學位類別:碩士
校院名稱:國立屏東科技大學
系所名稱:材料工程所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:92
中文關鍵詞:微流體晶片甲醇
外文關鍵詞:microfluidic chipmethanol
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本研究研發出大小60mm*40mm快速檢測甲醇微流體之整合型晶片,由CO2 Laser製造微管道,具有速度快且設計、修改圖形方便且不需進行黃光微影製程也不用複雜光罩等昂貴設備,利用4個入口的微型混合器所產生的慣性力並產生渦流現象增加混合效益,達成快速混合再經由微型反應器傳輸至檢測槽,再經由分光光度計做檢測,方便、快速且實用性的實驗室晶片(Lab-on-a-chip)。
本晶片與食品傳統試管檢測方法比較具有較方便且快速等優勢,例如:(1)檢測時間縮短3倍以上,(2)待檢測Sample劑量及反應試劑均可減少6倍以上,(3)在分光光度計測試下不需使用石英杯即可利用晶片直接量測,使用高分子壓克力(PMMA)為基材,具有成本低、易加工、化學相容性穩定、良好的透光性、可大量生產且較具有商業潛力的基材,在不同濃度甲醇下、使用2 unit甲醇氧化酶(MOX)及鹼性品紅(Schiff法)檢測甲醇,其本實驗所獲得之R2為0.996標準曲線。檢測完即可拋棄亦稱拋棄式晶片,此為在微型全分析系統(μ-TAS)的觀念下而產生的快速檢測甲醇微流體之整合型晶片。

A rapid and simple technique was developed for detecting methanol with very small amount of sample by using PMMA (polymethyl-Methacrylate) microfluidic chip, which fabricated by a commercially available CO2 laser scriber.

The microfluidic chip designs are created using commercial layout software and are converted are converted into the command signals required to drive the laser scriber in such a way as to reproduce the desired microchannel configuration on the surface of a PMMA substrate. The fluids are driven into the circular mixing chamber by means of hydrodynamic pumps from two fluid inlet ports .Each one-inlet port divides into 2 individual and different length channels tangent to a 3-Dimensinal (3D) circular chamber to induce unbalance driving force for mixing purpose.

The experimental results indicate that linearity expression R2 can approximate 0.996 using the proposed integration microfluidic chip when the 2 unit methanol oxidase (MOX) and basic fuchsin (BF,Schiff method) to detect methanol.
Hence,the current device provides a valuable tool for rapid methanol detection, while its mixer system delivers a simple yet effective solution for mixing problems in the micro-total –analysis-systems field.

Keywords: microfluidic chip,methanol, PMMA, CO2 laser

摘要 I
Abstract…...……………………………………...…...…………………..…. II
謝誌………………………………………………………………….………IV
目錄……………………………………………………………………...….. V
圖目錄…………………………………………………………………….…IX
第1章 緒論………………………...……………………...………………...1
1.1 前言…………………………………………………..…...…………...1
1.2 微機電系統…………………………………………..………...…...…2
1.3甲醇簡介………………….……………………………………..…...…4
1.3.1 甲醇簡介…………………...…..……………………..…………..4
1.3.2甲醇的代謝途徑…...……...………………………...……...4
1.3.3 甲醇中毒原因…………..……………………………..………….5
1.3.4 甲醇的毒性………………..……………………………..……….6
1.3.5 治療……………………………………………………………….6
1.4 CO2雷射器簡介…………………….…………………………..…...…6
1.4.1 CO2雷射器簡介…………………………….…...………………..6
1.4.2 雷射器特點…………………………………….….………..…….7
1.4.3 一般氣體雷射器結構…………………………………………….7
1.4.4 CO2分子振動轉動能階結構………………..…………………….8
1.4.5 CO2雷射器的激發機制………….………………………………10
1.4.6 CO2雷射器的分類……………....…………….…………………11
1.5 研究動機與目的…………………………………..……………..…..13
第2章 文獻回顧….........……………...……..……………………...……..14
2.1 微流體晶片簡介....………..…………………………..………..……14
2.1.1 微流體晶片發展史…………………….………...…………14
2.1.2 微流體晶片製作……………..……….…………………….16
2.1.3 基材製作分類…………………...…………………………..17
2.1.4 微流體晶片的應用…..……………….…………………….20
2.1.5 混合器基本原理…….………………………………………23
2.1.6 混合器分類……………………………..…………………..23
2.2 檢測甲醇方法簡介………..…………………………..………..……31
2.2.1 甲醇氧化酶…………………………………….…………....32
2.2.2 鹼性品紅(basic fuchsin;C20H19N3.HCl)與甲醛之呈色反應….32
2.3 雷射高分子材料加工技術與應用…………..…..……….…..……...31
第3章 晶片製作與實驗方法………………...…………..…...…….……..43
3.1 晶片基材……………………………..…..……………….………….31
3.2 化學試藥…………………………………..……..…...…..……….…32
3.3 化學儀器……………………………………………….…………….45
3.4實驗架構與設計………………………………………...…………….45
3.5 快速檢測甲醇之微流體整合型晶片製作…………….…………….47
3.5.1 晶片設計……...………………………………………...…...47
3.5.2 快速檢測甲醇之微流體整合型晶片製程…….………......……49
3.6 微流體混合器LIF測定………………….……………………..……53
3.6.1 螢光偵測法(fluorescence detection)…..….…...……………53
3.6.2 激發波長之選擇與樣品之螢光標記…….….……………54
3.7 傳統試管法檢測……………………………………………………..57
3.8 晶片法檢測…………………………………………………………..58
第4章 結果與討論…………..…………………………………...…...…...60
4.1 Micro-mixer內部螢光粒子渦旋現象………..…….…………….…..60
4.2 晶片幾何圖型改良…………………………………………………..62
4.3 晶片T型設計改良………………..…………………………….…….69
4.4 比較傳統試管法與晶片法……………….……………………….…77
4.5 晶片穩定值測試…………………………………..…………..……..79
4.6 晶片檢測甲醇的極限濃度……………………..……………………81
第5章 結論與未來展望 …………………………………………………83
5.1 結論 …………………………………………………………………..83
5.2 未來展望………………………………………………………… 84
參考文獻 …………………………………………………………………..85
作者簡介 …………………………………………………………………..92
















圖目錄
圖 1-1 甲醇的代謝………………………..…..……………………………5
圖 1-2 甲醇在人體內的代謝途徑………………………………….….......5
圖 1-3 氣體雷射的典型結構…………………………...………………….8
圖 1-4 氣體雷射的典型結構CO2和N2分子基態電子能階中的幾個振 動子能偕……….………………………………………………..…8
圖 1-5 CO2分子的振動方式…………………….………..………….…….9
圖 1-6 縱向慢流CO2雷射器的結構……………………………….…….10
圖 2-1 微流體晶片發展史…………………………....…………...……...15
圖 2-2 石英微流體晶片製程…..…..…..………………………....………17
圖 2-3 壓克力PMMA流體晶片製程……………………………….…..19
圖 2-4 PDMS流體晶片製程……….………………………...…….……19
圖 2-5 以毛細管電泳微晶片安培偵測法檢測酚酸…………….……….20
圖 2-6 以毛細管電泳微晶片安培偵測法檢測商業紅酒中的糖類….….21
圖 2-7 電容偶合非接觸偵測器之毛細管電泳微晶片.………………….23
圖 2-8 渾沌混合器………………………………………………….…….24
圖 2-9 以磁性顆粒來增加混合效率……………………………….…….24
圖 2-1 拓撲混合器設計…………………………………………….…….25
圖 2-11 彎道式微流體之混合狀況………..……………………….…….26
圖 2-12 三角式微流體之混合狀況......…………………………….…….27
圖 2-13 多層次微混合器…………………………..……………….…….28
圖 2-14 漩渦式微混合器……………..…………………………….…….28
圖 2-15 (a)為快速三維渦流混合器實體圖、(b)在SEM下清楚上視實體…...……………………………………………..……………..29
圖 2-16 在Re=3.2下,(a)為三維渦流混合器內流線分佈、(b)為上視 三維渦流混合器內流線分佈…………...…..…………………..29
圖 2-17 在模擬Reynolds = 3.2下在混合腔體內不同Z軸高度的混合
現象:(a)Z=20μm,(b) Z=270μm, (c) Z=460μm, (d) Z=600
μm,(e) Z=800μm,(f) Z=980μm………………...……………….30
圖 2-18 實作Reynolds = 3.2下混合腔體不同Z軸高度的混合現象…30
圖 2-19 在Reynolds大於2.32會產生自旋現象,理論值與實驗值符合..30
圖 2-20 為甲醛與品紅(Schiff法)之反應…………………….…….…….28
圖 2-21 在T-grooves埋入光纖可增加偵測靈敏度..…………….…….35
圖 2-22 為測試ammonia in aqueous晶片,由三層PMMA製作出來
的微流體晶片……………………………………………..…….35
圖 2-23 為UV雷射能量555mJ/cm2在248nm 波長在PMMA基材別
上Ablation微流道分別在不同的介質下造成不同的深寬比分
(A)nitrogen(B)methanol和, (C)water………………………...36
圖 2-24 圖UV雷射能量555mJ/cm2在248nm 波長在基材上Ablation
微流道,Stage速度分別是(A)10 mm/s,B)2.5 mm/s,和(C)
0.625 mm/s……..………………………………………………..36
圖 2-25 根據不同雷射參數Ablation管道或切割,以上三條參數同樣
的深度225±5µm但寬度在223和305µm………………………37
圖 2-26 表示左右兩測Laser能量較強造成大的蒸氣壓力,會使蒸氣
壓力大的往小的地方移型成 Bump……………………..…….38
圖 2-27 為表面張力作用造成邊隆起現象………..……………….…….38
圖 2-28 為在同一個PMMA基材上製造出不同的微流體管道,scale
bar 1cm…...…………………………………………....………...40
圖 2-29 為ATR-FTIR分析儀所量測到接觸角(a)在LAH上 (B)
在PMMA表面………………………...………………….…….40
圖 2-30 為PCR檢測晶片,設計包含注入端、出口端、經由26放大
cycles使溫度變化造成變化性質區和退火區,晶片總面積為
3cm x 7cm寬度200µm、深度250µm,26放大cycles總長
為164.4 cm、總體積為41µm……………………………….…...41
圖 2-31 為管道bonding後Cross section分別為(a)PMMA-PMMA,(b)PMMA-PC……………………………….42
圖 3-1 為本實驗設計架講圖………...………………………………...46
圖 3-2 為三片PMMA晶片設計圖,(a)上板,(b)中板,(c)下板,(d)為
切割T型圖……………………………………………………....47


圖 3-3 為快速檢測微流體整合型晶片標註尺寸,圓形微混合器直徑
與高度分別為2000 μm、1.5 mm,長方型反應槽為
9mm x 30mm x 1.5mm 晶片總面積為60cm x 40cm….....……48
圖 3-4 3-4為在Auto-CAD 2007設計後另存成dxf檔,在Corel
Graphics Suite 11轉檔,依不同的顏色來造成不同的加工順
序……………………………………..………………………….48
圖 3-5 為本實驗CO2雷射雕刻機系統產生CO2雷射經由三個
Mirror反射最後經由Focus Lens加工基材……………….……50
圖 3-6 為本實驗CO2雷射雕刻機系統實體圖……..……………….….50
圖 3-7 為本實驗晶片製作流程圖………………………………………51
圖 3-8 為本實驗所用熱壓機實體圖…..………………………….…….52
圖 3-9 為雷射功率為10.8W移動速度10cm/s製作管道熱壓前SEM
橫截面…………………….………………………………….….52
圖 3-10 為雷射功率為10.8W移動速度10cm/s製作管道熱壓後SEM
橫截面.………………………………….……………………….52
圖 3-11 為汞燈激發示意圖…………………………………..…….…….54
圖 3-12 為可見光波長……………..……………………………….…….54
圖 3-13 為標準螢光檢測粒……………..………………………….…….55

圖 3-14 為本實驗汞燈激發螢光粒子利用流速在微混合器產生Vortex
架構圖……..……….....................................................................56
圖 3-15 為本實驗汞燈在波段為450~490nm的可見藍光激發螢光粒
子實體圖………………………………………………………...57
圖 3-16 為快速檢測微流體之整合型晶片實驗架構圖…………...…….59
圖 4-1 為從Syringe Pump注入V1(甲醇+D=5μm螢光粒子)和V2
(2unit MOX)流率比為10ml/h:2.5ml/h螢光粒子流向實體圖....60
圖 4-2 為從Syringe Pump注入V1(甲醇+D=5μm螢光粒子)和V2
(2unit MOX)流率比為10ml/h:5ml/h螢光粒子流向實體圖…...60
圖 4-3 為從Syringe Pump注入V1(甲醇+D=5μm螢光粒子)和 V2
(2unit MOX)流率比為10ml/h:7.5ml/h螢光粒子流向實體圖…61
圖 4-4 為從Syringe Pump注入V1(甲醇+D=5μm螢光粒子)和 V2
(2unit MOX)流率比為10ml/h:10ml/h螢光粒子流向實體圖….61
圖 4-5 為從Auto-Cad 2007設計第一代快速檢測微流體整合型晶片
圖形...…………………..………………………………………..62
圖 4-6 為第一代晶片使用雷射加工微管道接著利用熱壓機熱壓後,
分別注入紅色墨汁及藍色墨汁再注入Di water,晶片實體圖
…………………………………………………………………...62
圖 4-7 Auto-Cad 2007設計第二代快速檢測微流體整合型晶片的幾
何圖形.……………..…………………………………………....63
圖 4-8 為第二代晶片使用雷射加工微管道接著利用熱壓機熱壓後,
分別注入紅色墨汁及藍色墨汁再注入DI water,晶片實體圖
………………………………………………………………...…63
圖 4-9 為靜置槽混合情形:藍色墨汁先進入靜置槽佔的比例較大…...64
圖 4-10 為靜置槽混合情形:藍色墨汁先進入後接著DI water進入,
少許的紅色墨汁進入……..…………………………………….64
圖 4-11 為靜置槽混合情形: 紅色墨汁的比例增加開始部分的紫色液
體出現..……………………………..………………….….…….65
圖 4-12 為靜置槽混合情形: 在連續注入三種液體下(藍色墨汁、紅色
墨汁、DI water)會產生較多的紫色液體………………………65
圖 4-13 為第三代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片實體圖………....66
圖 4-1 為第四代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片實體圖…...…….67
圖 4-15 為第五代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片實體圖…...…….67
圖 4-16 第五代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片中板的幾何圖型
包含:Micro-mixer、較大尺寸蛇蜓形反應管道、靜置槽
D=2.5mm…………………………………………….…………..68
圖 4-17 為第五代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片中板的幾何圖型
包含:Micro-mixer、較大尺寸蛇延形反應管道、靜置槽
D=2.5mm實體圖………….……………………...………….….68

圖 4-18 為第五代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片甲醇濃度為
10~30ppm得到 R Square為0.324……………………...………69
圖 4-19 為從Auto-Cad 2007設計第六代快速檢測微流體整合型晶片
的幾何圖形分別為:(a)上板(孔),(b)中板(鏤孔),(c)中板
(管道),(d)下板(管道),(e)T形狀(切割)………………………70
圖 4-20 為第六代實體晶片圖,分別注入藍色墨汁及紅色墨汁觀察Micro-mixer中混合現象…………………………………….….70
圖 4-21 為第六代快速整合型晶片站立實體圖具有高商業潛力價值…71
圖 4-22 為第六代快速整合型晶片鳥瞰實體圖具有高商業潛力價值....71
圖 4-23 為第六代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片分別注入藍色墨
汁及紅色墨汁在Micro-mixer中所觀察混合現象……………..72
圖 4-24 為從Auto-Cad 2007設計第七代快速檢測微流體整合型晶片
的幾何圖形分別為:(a)上板(孔),(b)中板(鏤孔、管道),(c)
下板(管道),(d)T型形狀(切割)…………………………...…….73
圖 4-25 為第七代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片實體圖………..73
圖 4-26 為傳統試管法在分光光度計下測得甲醇濃度為10~40ppm可
測到的R2為0.958…………………………………………...…..74
圖 4-27 為第七代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片,晶片法在分光
光度計下測得甲醇濃度為10~40ppm可測到的R2為0.900…..74
圖 4-28 為從Auto-Cad 2007設計第八代快速檢測微流體整合型晶片
的幾何圖形分別為:(a)上板(孔),b)中板(鏤孔、管道),(c)下
板(管道),(d)T型形狀(切割) …….…………………………...75
圖 4-29 為第八代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片實體圖…...…….75
圖 4-30 為傳統試管法在分光光度計下測得甲醇濃度為10~40ppm可
測到的R2 為0.986…….……...………………………………...76
圖 4-31 為第八代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片,晶片法在分
光光度計下測得甲醇濃度為10~40ppm可測到的R2為0.996…76
圖 4-32 為分光光度計實體圖………..…………………………….…….77
圖 4-33 為第八代快速檢測甲醇之微流體整合型晶片在分光光度計
插槽下直接插入晶片實體圖…………………………………...78
圖 4-34 為在2unit MOX 下利用傳統試管法在20組晶片下,甲醇
10~40ppm所測出OD值拉出的R2為0.970….……………..….79
圖 4-35 為在2unit MOX 下利用八世代快速檢測甲醇之微流體整合
型晶片法在20組晶片下,甲醇10~40ppm所測出OD值拉
出的R2 為0.943……………………………….………………..80
圖 4-36 為在1unit MOX 下利用八世代快速檢測甲醇之微流體整合

型晶片法在甲醇10~60ppm所測出OD值R2為0.963…...…….81

圖 4-37 為在2unit MOX 下利用八世代快速檢測甲醇之微流體整合
型晶片法在甲醇10~100ppm所測出OD值R2為0.963……......82
圖 4-38 為在8unit MOX 下利用八世代快速檢測甲醇之微流體整合
型晶片法在甲醇50~100ppm所測出OD值R2為0.978……..82


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