Development and Medical Diagnostics of a Non-Continuous Micro-Flow Opto-Wetting Droplet Manipulation Technology

液珠操控技術(microfluidic devices design)為生醫檢驗晶片發展之主要關鍵技術。目前微流道之設計技術有連續式(continuous flow) 及非連續式(non-continuous flow)微流道兩種；其中連續式液珠操控技術必須藉由幫浦、閥門及流道來產生連續流體形態控制檢體；而非連續式液珠操控技術則是以獨立液珠形態方式來操控檢體。近年來，非連續式液珠操控技術為微流道技術發展之主流，其不但可以省去幫浦、閥門等驅動元件以降低成本，也因為非連續式微流道所需之檢體數量較少，可使得反應速度加快，並透過液珠形態方式之操控，可免於檢體在微流道中因為藥劑殘留造成交叉感染影響檢測結果。然而以液珠形態操控之非連續式微流道設計，必須克服表面張力之問題，目前有學者提出光電濕潤(opto-electrowetting)、電化學(electrochemical)等方式來解決此問題，其中以光電濕潤之方式最為廣泛使用。光電濕潤方式係利用雷射光並配合電極之鋪設，以改變基材之表面張力，使得液體有疏親水之形態轉換進而達到液珠操控。然而目前生物晶片之發展已朝向微小化邁進，利用光電濕潤之方式，必須鋪設更微小且緊密之電極來配合，且須透過造價不斐之雷射光進行驅動。基於以上原因，本研究為克服光電濕潤方式須採用電極鋪設及昂貴雷射光源驅動之缺點，將提出一種創新之非連續式微流道光濕潤(opto-wetting)液珠操控技術，其技術內容包括「UV 光驅動液珠液膜形態操控技術」及「UV 光驅動液珠運動路徑操控技術」兩項，本研究在開發過程也將自行設計組配「自動化浸漬式覆膜實驗平台」及「UV 光驅動液珠非連續式微流道操控實驗平台」等兩項設備；最後為了驗證非連續式微流道光濕潤液珠操控技術之實用性，也將利用血液中血糖含量檢驗進行實驗驗證。本研究將分三年進行，研究工作項目將分為「UV 光驅動液珠液膜形態操控技術」、「UV 光驅動液珠運動路徑操控技術」及「系統整合、功能測試與臨床生醫檢測實用性驗證」等三部分。本研究第一年之工作項目主要係開發「UV光驅動液珠液膜形態操控技術」，研究工作項目包括透過田口式實驗分析法及變異數分析(ANOVA)進行奈米二氧化鈦物性（粒徑大小、濃度）最佳化之實驗分析，接著為了能定量控制基材表面浸漬覆膜之特性，本研究也將設計組裝一台「自動化浸漬式覆膜實驗平台」，設計開發工作內容包括實驗平台功能調查及工程規範訂定、利用TechOptimizer 創意設計軟體進行系統軟硬體之概念設計、利用Solidworks 進行設備外框結構設計製作及浸漬主軸結構設計製作、以ORCAD 進行控制電路設計開發、人機介面軟體設計開發等。並利用田口式實驗分析法及變異數分析(ANOVA)，進行自動化浸漬式覆膜實驗平台製程參數最佳化之實驗分析，最後進行不同材質基材及覆膜厚度表面能與液珠接觸角相關性實驗分析。本研究第二年主要係開發「UV 光驅動液珠運動路徑操控技術」，研究工作項目包括實驗平台功能調查及工程規範訂定、開發一台「UV 光驅動液珠非連續式微流道操控實驗平台」及UV 光功率調變與液珠操控相關性實驗分析。至於「UV 光驅動液珠非連續式微流道操控實驗平台」之設計開發包括設備外框結構設計製作、液珠操控平台機構設計製作、UV 光顯微聚焦及顯像機構設計製作、控制電路設計製作及人機介面軟體設計開發等。本研究之第三年主要工作為「系統整合、功能測試與臨床生醫檢測實用性驗證」，主要工作項目包括整合本研究前兩年所開發完成之「UV 光驅動液珠液膜形態操控技術」及「UV 光驅動液珠運動路徑操控技術」、進行所開發之兩項設備「自動化浸漬式覆膜實驗平台」和「UV 光驅動液珠非連續式微流道操控實驗平台」之功能測試，最後進行臨床生醫實驗驗證。至於生醫檢測實驗驗證部分，初步規劃將以臨床上血中葡萄糖濃度檢測為實驗標的。受測者將分實驗組及對照組各15名，採取受測者之血液樣本20cc，實驗組將利用本研究所開發之系統進行血液及試劑之混合，混合後利用分光光度計進行比對以判讀血糖含量。對照組將以臨床上之傳統檢驗方式檢測，最後利用SPSS 統計分析軟體進行實驗結果分析，

Project ID:PB9408-3270
External Project ID:NSC94-2213-E182-029