微流體生醫晶片操作參數對樣品洩漏及樣品分散 的影響暨緩衝液性質對電滲流計算值的影響

The effects of operational parameters to avoid sample leakage and to minimize dispersion in microfluidic biochip channels. And The effects of buffer electrolytes in electroosmotic flows.

楊閔惠(MIN-HUI YANG)

指導教授 ： 王少君

國立中正大學/理學院/化學暨生物化學系/博士(2012年)

摘要

與毛細管電泳相同，微流體生物晶片也是利用電滲流做為樣品輸送
動力的生化分析工具。因此深入研究微流體生物晶片管道中電動傳輸現
象將有助於晶片的控制和設計。本論文為了了解十字型管道的四個端點
的電壓值及管道寬度比值,對樣品注入分離道分散效應的影響。利用改
變微流道寬度(Loading channel and separation channel) 的各式設
計,藉由模擬控制參數研究電場、流場和濃度場，來達成降低樣品分散
及促進分析解析度和偵測靈敏度。
本論文主要目的是利用數值模擬來描述質量傳送、速度、樣品洩漏
(leakage)現象及樣品分散。首先，針對流場流速受管道寬度比值、端
點電壓比值和不同電解質溶液產生的表面電位等效應，對樣品洩漏與流
速關係做探討。由於樣品在微流道傳輸與界面電位，幾何比和側電壓比
息息相關。十字型微流道交叉口受到幾何形狀、側電壓和界面電位等多
重影響。由結果顯示避免樣品洩漏必須控制流速上游速度比下游速度
快，且發現上、下游速度差(△Vs)受以上參數所影響。由結果亦顯示在
低幾何比和高側電壓條件下易造成樣品從負荷管道洩漏到分離管道。因
此藉由數值模擬有助於快速了解及控制微流道最佳參數組合。
此外，在針對十字型管道晶片中，樣品注入及分離微管道流速對樣
品訊號峯寬度的影響之研究發現。由於十字型交叉口對流效應會影響樣
品注入，在十字型交叉口下游100微米處測得樣品注入分離管道樣品訊
號峯的變異度(σ2)。且由結果顯示低寬度比和高表面電位對樣品注入在
微流道輸送分散影響最小。由於在分離管道在低寬度比和高表面電位可
增加流場流速，在此條件下可降低樣品訊號峯分散效應。綜合樣品注入
和流速對樣品訊號峯寬度的影響，發現在低表面電位流速是主要影響因
素；在高表面電位樣品注入和流速同等重要。因此，樣品訊號峯在十字
型交叉口主要受對流效應影響，在交叉口下游則主要受擴散效應影響。
由結果顯示，藉由數值模擬有助於快速了解及控制微流道最佳參數，避
免樣品洩漏最重要必須控制流速上游速度比下游速度快。且發現影響層
析峯的變異度(σ2)在低界面電位流速是主要影響因素。
最後，本論文也利用數值模擬方法探討不同離子強度緩衝溶液性質
對毛細管內電滲流的影響及並用來估算毛細管壁面官能基酸的解離常
數(pKa)。利用先前文獻中實驗方法求得未經塗佈之毛細管，其不同pH
對應之電荷密度(σ)，再分別計算不同pH值所對應的界面電位。利用數
值模擬計算微流道電滲流速度。由結果顯示低離子強度下，流速隨pH值
變化較為陡峭；高離子強度下，流速隨pH值變化較為趨緩，即高離子強
度下流速受pH值影響較小。且利用此方法可預測未經塗佈之毛細管pKa
值。也發現對於一元共軛酸鹼鹽其流速受pH值增加呈線性增加。而多元
共軛酸鹼鹽中其流速受pH值增加呈不規則變化。因此不同價數共軛酸鹼
鹽溶液的離子強度對於電滲流流速的影響不容忽視。
關鍵字:生醫晶片，樣品洩漏，樣品分散，電滲流

關鍵字

生醫晶片 ； 樣品洩漏 ； 樣品分散 ； 電滲流

並列摘要

Microfluidic biochipsare a group of biochemical analysis tools using
electroosmotic flows as a pumping mechanism for sample transfer. The
electrokinetic transport phenomena are very important for designing and
controlling microfluidic biochip. This study investigates the dispersion
effects of samples associated with the four end-point voltages and the width
ratios of cross-section channels to improve the analysis resolution and
detection sensitivity.
This dissertation employs numerical simulations to study the mass
transfer, the injection leakage, and the dispersion of loaded samples. We first
investigated the relationship between the sample leakage and the velocity
regarding the surface potential, and then explored the other effects of the
flow field influenced by the channel width ratio, end point voltage ratioand
buffer ionic strength. The results showed that the upstream velocity must be
faster than the downstream velocity to avoid sample leakage and previous
parameters influencing the upstream and downstream velocity difference
(

並列關鍵字

sample leakage ； dispersion ； microfluidic biochip

參考文獻

6. Fan, Z.H., Harrison, D.J., Anal.Chem.1994 , 66, 177-184.

8. Jacobson, S. C., Ramsey, J. M., Anal. Chem. 1997, 69, 3212-3217.

9. Eringen, A., Simple microfluids , International , Jounal of Engineering Science 1964, 2 ,205-217.

11. Ren, L., Li, D., Journal of Colloid and Interface Science 2002, 254, 384-395.

12. Mala,G.M., Li,D., Dale,J.D., Heat Mass Transfer 1997,40,3079-3088.