崑山科技大學 機械工程系

大學部畢業論文

介電泳式細胞分離晶片之研發

專 題 生：蘇勇成 林凡楷 許婉鈴 余雅慧 王人永 莊家銘

指導教授：陳恕行 Sir

中華民國九十五年五月

1

摘要 Abstract 對於生物微粒的分離，非但要求高純度的分離效率外，經分離後細胞本體 不會受破壞更是重要的考量。介電泳效應主要根據細胞與分離溶液間不同的介 電特性，且利用非均勻性交流電場對細胞具非破壞特性的介電誘發能力，產生 非對稱的電極化程度，使細胞受電場力作用後往高或低電場強度的方向移動而 分離。此介電泳力之大小和方向依存於細胞和分離溶液的介電特性、外加交流 電場強度等參數。本研究設計一介電泳式分離微電極陣列晶片，即時觀測分離 的效率，找出最佳的分離溶液條件與頻率電壓，完成介電泳式分離偵測平台。

2

＊名詞簡介＊

電泳（electrophoresis） 介電泳動（dielectrophoresis）技術的前身，當然就是眾所周知的「電泳」

現象，亦即：帶電荷的微粒在電場的作用之下，於靜止的液體中所進行的運動。

如果我們進一步調配液體的種類或濃度，或添加一些參雜其間的纖維等物，或甚

至改變液體的形態而以凝膠取代之，我們就得以操控游動其中的帶電微粒和這些

「間質（matrix）」之間的交互作用，使得不同的帶電粒子依照某些特性（譬如：

長度、分子量等）而在游動過程中分離開來。

介電泳（dielectrophoresis） 介電泳效應主要是利用細胞與分離溶液間不同的介電特性，施加非均一性

交流電場來誘發細胞產生不同的極化程度，造成細胞往高或低電場強度方向移

動而達到分離效果。 介電泳 力之大小和方向與細胞與分離溶液的介電特性、

外加電場強度分佈有關。本研究設計一 介電泳 式分離微電極陣列晶片，即時

觀測分離的效率，找出最佳的分離溶液條件與頻率電壓，完成 介電泳 式分離

偵測平台。

介電泳力（Dielectrophoresis） 介電泳力（Dielectrophoresis）主要根據粒子和溶液間不同的介電特性

（導電度和介電常數），同時利用非均勻交流電場使粒子產生非對稱的誘發極

化能力，粒子受電場作用力後會往高或低電場強度處移動而分離。介電泳力的

大小和方向跟粒子及溶液之間的介電特性、外加交流電場強度、頻率、粒子大

小有關。在低頻中，粒子和溶液間的極化值（Clausius-Mossotti（CM）因子）

可近似為僅由導電度決定，溶液的導電度可由導電度計測得，若能決定粒子導

電度，即可知道介電泳力的方向（正或負介電泳）。

介電泳動（dielectrophoresis） 任何材質都會有一定的介電特性，也就是在外加電場之下，它們會受到不

同程度的（電偶）極化，並因此傾向於順著外加電場的方向來排列。進一步而

言，如果外加電場的空間分佈是不均勻的，那麼這些被（電偶）極化了的微粒

就會受到一份淨力（以下稱之為「介電泳動力（dielectrophoretic force）」），

進而造成不同程度的漂移運動。相對於電泳現象所討論的場合，這種可極化

（polarizable）的微粒在不均勻（non-uniform）的外加電場中所發生的運動

，便稱為「介電泳動」。

3

細胞分離技術

在進行生物樣本分離時，如何從複雜的細胞懸浮液中，分離出單一細胞群

已有許多種的分離系統可使用。通常分離系統除了能有效純化出某一種細胞群

外，希望在分離的過程中，所分離出細胞的細胞群是和分離前特性相同，即細

胞不會改變任何性質，且保有細胞活性（viability）。 故在分離懸浮液的選用要特別注意，最好是不會使細胞變質，適當選用的

細胞懸浮液讓細胞在此環境下變化降至最低，如：溶液之滲透壓可能造成細胞

變形。當溶液滲透壓太大時，會造成細胞皺縮；反之，可能造成細胞漲破。另

外一般會造成細胞變質的原因為外加物理性力量，如：細胞經離心機之離心力

的長時間作用而導致。所以有必要將分離的時間縮短，降低細胞受損率。而經

常會在分離後利用加入一些死細胞的染劑（如：trypan blue, erythrosine B）， 來判別經分離系統純化後細胞之存活率。

故在進行分離細胞前，所選定的分離系統，須以保有細胞活性及最佳分離

效率為考量，以適當分離細胞懸浮溶液，將某一種細胞株分離純化出來。而現

今常用來分離的方式為利用細胞大小不同、細胞的密度及細胞表面無特殊標定

物。而以下就對各種現今分離系統做一介紹。

離心法（centrifugation） 離心法是將細胞懸浮液置於離心管內，利用高速旋轉而產生一離心力來使

細胞分離。因此離心力作用依細胞的密度、形狀及大小而有不同的沈澱速率，

基於此利用不同細胞間的沈澱速率不同，而達到分離作用。另外為維持細胞活

性，選用適當細胞懸浮液的密度、離心速度及時間皆是離心法所要考量的重要

條件。

4

5

6

7

8

＊介電泳理論＊

介電泳效應之產生

在日常生活中其實已有介電泳現象的發生，祇是沒有特別注意而已，首先

講一個實際的例子，就能了解介電泳效應是如何在生活中發生。假如將鐵釘或

鐵粉屑靠近一磁鐵會有河現象發生呢？結果會發現鐵釘或鐵粉吸附在磁鐵的邊

緣處，而不是在磁鐵的中心位置，為什麼呢？因為邊緣處是磁場最強的區域。

在鐵釘或鐵粉屑吸附集中於磁鐵邊緣處之石，其實已發生了兩個過程。首先鐵

釘或鐵粉屑被磁鐵的磁場誘發而產生出誘磁性（induced magnetism），然後被

誘發出之磁性在受到磁鐵邊緣強大磁吸力作用下，產生力量而吸附至磁鐵邊緣

。

在磁性被誘發的程度，是取決於磁場的強度大小及空間中磁場強度變動程

度。當然如果磁場在空間中無任何強度變動的話，也就沒有力量產生。由於磁

場強度在空間中變動程度越靠近邊緣尖端變動越大，而會在磁場最強的尖端產

生強大的磁性吸引力，吸附集中許多鐵釘及鐵粉屑於磁鐵邊緣處。當這樣的現

象是由電場作用下產生的，則被稱為所謂的介電泳效應

（dielectrphoresis,DEP）

一、電泳 (electrophoresis)

介電泳動（dielectrophoresis）技術的前身，當然就是眾所周知的「電泳」

現象，亦即：帶電荷的微粒在電場的作用之下，於靜止的液體中所進行的運動。

如果我們進一步調配液體的種類或濃度，或添加一些掺雜其間的纖維等物，或

甚至改變液體的形態而以凝膠取代之，我們就得以操控游動其中的帶電微粒和

這些「間質 (matrix)」之間的交互作用，使得不同的帶電粒子依照某些特性（譬

如：長度、分子量等）而在游動過程中分離開來。瑞典籍的生化學家 Arne

9

Tiselius，便率先充分利用了這項（看似）簡單的物理原理，而於 1937 年精心

設計出一套分離蛋白質的電泳裝置，並從此開展了今日生物和化學領域都十分

倚重的整個電泳科技。由於這項貢獻及其在血清蛋白分析上的斐然成就，

Tiselius 於 1948 年（在其家鄉）獲頒諾貝爾化學獎。

圖一：「電泳」現象的簡單示意圖。

在此我們先利用圖一的簡單示意，定量說明「電泳」的基本工作原理：

作用在帶電微粒上的運動力 = q․E (1)

(其中 q = 微粒所帶的電荷；E = 電場強度)

作用在帶電微粒上的阻滯力 = β․v (2)

(其中 β = 阻滯係數，是由微粒的大小和形狀以及間質的特性來決定； v = 帶

電微粒的運動速率)

當帶電微粒的運動達到等速時，以上兩力必須平衡（即：(1) = (2)），因此可以

得知：

10

v = (q․E)/β (3)

為了便於定量的比較，我們可以進一步定義

「電泳運動率 (electrophoretic mobility)」：

μ≣ v/E = q/β (4)

其值愈大，就代表此帶電微粒在該間質中的電泳運動愈容易。

圖二則示意了「Tiselius 管」，亦即 1930 年 Tiselius 於畢業論文中所設計

的電泳觀測裝置，而利用到他自己所謂的「運動邊界 (moving boundary)」法。

其中含有懸浮微粒的流體，和不含懸浮微粒的部份，會在 U型管的兩端分別形成

一個交界面。一旦正負電極接上適當的偏壓而使得懸浮微粒開始進行電泳，兩個

交界面也將隨之以電泳的速率來移動，並得以利用適當的光學系統來觀察。

圖二

圖二：「Tiselius 管」的示意圖。U型管的兩端分別形成一個交界面。一旦

正負電極接上適當的偏壓，兩個交界面將以懸浮微粒電泳的速率來移動，並可以

11

光學系統來觀察。此即所謂的「運動邊界 (moving boundary)」法，後來也被稱

為「帶域電泳 (zone electrophoresis)」法。

這套方法後來被稱為「帶域電泳 (zone electrophoresis)」，並在 1940 及

1950 年代蓬勃發展，應用在大型蛋白分子、氨基酸、甚至於無機物的離子等樣

品的分析。在此期間，電泳技術中兩個比較獨特的分支也被開發出來，亦即：「等

電荷聚焦 (isoelectric focusing)」法和「穩態電泳 (isotachophoresis)」法。

前者是設法沿著游動的路徑上製造出酸鹼值的梯度分佈，使得不同性質的蛋白質

分子最後會分別聚積在其「等電荷點 (isoelectric point)」的位置，以致於該

蛋白質分子表面殘存的淨電荷為零，並因此而達到分離的效果；後者涉及使用兩

種電泳運動率不同的緩衝溶劑離子，因而得以自律性地保持穩定一致的電泳速率

和明確的邊界，進而有助於帶域的認定和處理。由於分別利用到不同的物理性

質，這三種分離技術便共同提供了分析懸浮微粒的「金三角」。

除此之外，不同「間質」的選用也造就了適合不同樣品的分析方法。這些間

質主要包括很早就被使用（也最易於準備）的紙材 (paper)，在蛋白質分離方面

獨佔鰲頭的凝膠 (gel)，以及 1980 年代早期才被開發的毛細管 (capillary)。

當然，如何偵測已被分離的懸浮微粒，也是過去數十年間電泳技術的發展重點之

一。為求能夠「看見」混合樣品中的成份並進一步加以「定量」，光是已經開發

出來的相關技術就包括了「化學標記 (chemical staining)」法、「二維電泳

(two-dimensional electrophoresis) 」 法 、 「 免 疫 電 泳 術

(immunoelectrophoretic techniques)」，和不同的「塗記 (blotting)」技術。

儘管電泳的基本原理相當單純，但歷年來這些追求精確可靠和廣泛應用的努

力，已經使生物或高分子樣品的電泳分析（包括：DNA、蛋白質和酵素等），儼然

躋身為精密科技的一員，並在醫療保健甚至於司法鑑識等日常生活領域中大放異

彩。

12

二、介電泳動 (dielectrophoresis)

電泳現象的基本前提是：這些懸浮微粒必須帶電。如何透過液體或間質的匹

配選用，使得散佈其間的微粒攜帶適當的電荷，便成為化學家們發揮所長的課

題。然而「對於許多無法有效帶電的材質微粒，難道就無技可施了嗎？」所幸答

案是令人鼓舞的，因為我們知道任何材質都會有一定的介電特性，也就是在外加

電場之下，它們會受到不同程度的（電偶）極化，並因此傾向於順著外加電場的

方向來排列。進一步而言，如果外加電場的空間分佈是不均勻的，那麼這些被（電

偶）極化了的微粒就會受到一份淨力（以下稱之為「介電泳動力

(dielectrophoretic force)」），進而造成不同程度的漂移運動。相對於電泳

現象所討論的場合，這種可極化(polarizable)的微粒在不均勻(non-uniform)

的外加電場中所發生的運動，便稱為「介電泳動」。

圖三

圖三：應用「介電泳動」現象的一個簡單裝置。在此側視圖中，一旦外加偏

壓跨接於兩電極上，不均勻的電場就會形成，如同圖中代表電力線的曲線組所

示。於是，基板表面上的液滴(未畫於圖內)裡面，就會發生各個懸浮微粒的介電

泳動。

13

應用這項新技術時，我們除了必須提供不均勻(non-uniform)的外加電場，

通常也都會利用交流的偏壓來形成交流電場，頻率則多在射頻 (Radio

frequency, RF)或微波 (microwave) 的範圍。如此一來，我們又多了調控頻率

的自由度，同時也免除了直流版本中所可能導致的不良效應（譬如：淨電荷聚積

於某一電極，或發生某些電解反應等副作用）。

三、「介電泳動」於奈米操控的應用

由前節的討論結果可以看出，至少有兩個因素使得「介電泳動」特別適於奈

米尺度的物體操控。首先是做為奈米應用的電極，多半涉及微小的尺寸，因而加

上偏壓之後會在基板的重點區域形成可觀的電場梯度（亦即：不均勻度），使得

該區域內的懸浮物體受到相當的「介電泳動力」。同時，奈米物體的質量當然也

特別小，因此易於受力而運動。其中，一維的奈米物體（譬如：DNA、線性高分

子、奈米碳管等），又特別易於沿著長軸方向受到電偶極化，因而更適合利用介

電泳動來進行搬運、排列、定位、分離和篩選等操縱。

對於預先成長製備 (pre-fabricated) 的奈米碳管而言，「介電泳動」似乎

可以包辦幾近全套的後續服務。 Yamamoto 的研究小組首先於1996年利用異丙醇

(isopropyl alcohol) 做為溶劑，使得碳管和其他雜質微粒攜帶不同程度的正電

荷，並以直流「電泳」的方式朝陰極的方向搬運，進而顯示了奈米碳管與雜質微

粒分離開來的「純化」效果。兩年之後，該組繼續發表了交流「介電泳動」的研

究成果，發現在 10Hz ~ 10MHz 的頻率範圍內，碳管都會游向比較靠近的電極。

同時隨著交流頻率的提高，雜質微粒逐漸跟不上電場的變動，因此滯留原地而達

到良好的碳管純化效果。至於碳管本身沿著電場方向的排列，也隨著交流頻率的

提高或碳管長度的增加而趨於整齊。

14

圖四便說明了一套兩段式碳管純化分離法。第一階段是利用特定溶劑對於碳

管和其它雜質所造成的些微帶電性，而以直流「電泳」的方式，將分散於液滴各

角落的懸浮微粒都收聚到中間的電極區，如圖四(c)所示。第二階段再趁液滴未

乾之際，透過外側的兩個電極施行交流版的「介電泳動」，於是速度較大的碳管

便率先離開中間電極而抵達較靠近的一個外側電極，最後將雜質微粒都留在中間

電極區，如圖四(d)所示。因此，藉由起跑點的規範，這套方法對於不同的懸浮

微粒提供了高效率的純化和分離。圖六的掃瞄電子顯微鏡照片，顯示了兩段式純

化分離的效果。至於如何調控液滴揮發的速率以利各種多段式的操作，我們也藉

由空間封閉的原理而開發了一套有效的技術。

圖四：兩段式的碳管純化分離法。含有碳管和雜質微粒的懸浮液滴在基板

上，所對應的 (a)側視圖，和 (b)俯視圖。(c)第一階段以直流「電泳」的方式，

將各角落的懸浮微粒收聚到中間的電極區；(d)第二階段透過外側的兩個電極施

行交流的「介電泳動」，於是速度較大的碳管便轉往外側電極，而將雜質微粒留

在中間電極。

15

四、介電泳 (Dielectrophoresis) 原理

一個本身不帶電的粒子在一個不均勻的電場當中產生側向的移動就是介電

泳現象。簡單地來說，在生活裡最為大家所知的介電泳現象就是國小的時候，老

師都會教大家拿一塊無敵鐵金剛的塑膠墊板然後夾在穿衣服 (毛衣效果比較好)

的腋下，然後將碎紙片放在桌上，墊板懸空放在這些碎紙片的上方 (或者是討厭

的女生的頭髮上方更有惡作劇的效果) 那些碎紙片就會被吸引往上吸附在墊板

表面，基本上塑膠墊板與桌面 (地球)之間建立了一個不均勻的電場，使得本身

不帶電的粒子 (碎紙片)本身被極化，因而在介質 (空氣)當中能夠因這個電場而

移動，這個就是最常見的介電泳現象。

討論至此，利用不均勻電場來操縱微小物體的「介電泳動」技術，其實和掃

瞄穿隧顯微鏡 (scanning tunneling microscope, STM) 的原子操控術，以及雷

射的光鑷夾 (optical tweezers) 原理，都有許多異曲同工之處。事實上，「介

電泳動」的祖師爺H. A. Pohl 當年就認為，此技術可說是「光鑷夾」的電子版。

除了可藉由交流頻率的調控來切換其模式（正、負）之外，「介電泳動」也

被看好其大量平行處理的潛力。換言之，透過微影技術的運用，我們可以讓單一

晶片上包含了成千上萬的獨立操作單元，而每個單元都可經由「介電泳動」的機

制來操縱微小粒子。這麼一來，「奈米科技」的兩股洪流，也就是所謂的「由上

16

而下(top down)」和「由下而上(bottom up)」，或有機會率先在此匯流。同時，

既然無關於微粒的帶電與否，那麼任何單一分子的玩弄於股掌，似乎也是指日可

期。

五、介電泳力應用於生物分離系統

如何將正介電泳力或負介電泳力應用於生物分離系統，首先要對細胞有相當

的認識。而所有生物都是由細胞組成。細胞是有機體結構與生活的基本單位。細

胞的組成和結構直接影響或決定細胞的狀態和功能，對細胞質、包外基質、單個

全細胞的組成分析和即時活體間測是全面了解單個細胞生物生理行為及其機制

的重要基礎。細胞的新陳代謝、呼吸作用、工合作用、信息傳遞、物質的跨膜運

輸等都涉及到細胞物質有序、專一、特意的氧化和還原。細胞的這些生化反應同

電極上發生的電化學反應極其相似，可以認為細胞的基本生命活動是以奠化學反

應為基礎的，研究或模擬研究細胞荷電粒子或電活性粒子能量傳遞的運動規律及

其與細胞功能的關係和對細胞功能的影響。

細胞模一般由長鏈脂雙層組成，厚度約為 5nm。從電學特性上看，其等效電

路為簡單的電阻、電容並連或串聯迴路組成，若僅考慮脂雙層結構，膜阻抗很高，

差異性不顯著。然而，細胞膜上有許多跨膜糖蛋白，形成束狀結構中含有結構化

水和離子通道，直接影響細胞的膜阻抗。另一個影響因素是細胞的生物生理狀態

態的差異性，如腫瘤細胞與正常細胞的介電特性的差異顯著；對腫瘤組織也是如

此，正常乳腺細胞組織與其癌組織的介電特性在一定範圍內相差也非常大，這對

腫瘤組織的臨床診斷具有重要意義。而接下來介紹如何根據介電特性知不同利用

介電泳力來操控極分離不同種的細胞。

17

六、介電泳式細胞分離

介電泳效應主要是利用細胞與分離溶液間不同的介電特性，施加非均一性交

流電場來誘發細胞產生不同的極化程度，造成細胞往高或低電場強度方向移動而

達到分離效果。介電泳力之大小和方向與細胞與分離溶液的介電特性、外加電場

強度分佈有關。

在細胞分離技術上，如何選定一種最合適的分離方法，能在不破壞細胞本質

下，達到最佳的分離效果，所以有時常須經過冗長的前處理，結合多種分離方法，

才能將某一種細胞分離純化。而常用的分離方法仍尚須要改進，就以現今最精密

的流式細胞分選儀 (flow cytometry)為例，須先加入標示有螢光的特異性抗體，標

記待分離的細胞，始能進行分離。其設備較為龐大且價格高，耗材花費更為驚人，

甚至需專業人員來操作。近來微機電製程技術的發展迅速，利用微小電極組設

計，可讓小電壓在微小電極間產生強大之非均一性電場，驅動不同介電係數的細

胞，使得介電泳成為新的細胞分離技術之一。

由於各種細胞具有不同的介電特性(導電率、介電常數)，如圖一所示，當受

到某種程度的非均勻交流電場時，會誘發細胞上電荷造成不同程度的極化現象，

細胞將因其不同的介電特性而受到正或負的介電泳力，在此力的作用下會移動到

不均ㄧ電場的特定位置，利用此特性即可分離不同介電特性的細胞。由於此法不

會破壞細胞且適合微小化，目前已成功應用於分離水中細菌，與具生命及無生命

的酵母菌細胞，且能分離出血液中之癌症細胞，和紅血球細胞。本研究利用介電

泳分離的原理，設計出介電泳式分離微電極陣列晶片，並即時觀測分離的效率，

找出最佳的分離條件，完成一介電泳式分離偵測平台。未來將結合微泳道的設

計，將分離、計數、分類收集整合於單一晶片上，以降低成本及縮短分離偵測時

間，進而朝“Lab-on-a-chip＂的目標邁進。

18

七、介電常數

電介質經常是絕緣體。其例子包括瓷器(陶器)，雲母，玻璃，塑料，和各種

金屬氧化物。有些液體和氣體可以作為好的電介質材料。干空氣是良好的電介

質，並被用在可變電容器以及某些類型的傳輸線。蒸餾水如果保持沒有雜質的話

是好的電介質，其相對介電常數約為 80。

電介質有使空間比起實際尺寸變得更大或更小的屬性。例如，當一個電介質

材料放在兩個電荷之間，它會減少作用在它們之間的力，就像它們被移遠了一

樣。當電磁波穿過電介質，波的速度被減小，使得它的行為象它有更短的波長一

樣。

電學角度看，介電常數是物質集中靜電通量線的程度的衡量。更精確一點

講，它是在靜電場加在一個絕緣體上時存貯在其中的電能相對於真空(其介電常

數為 1)來說的比例。這樣，介電常數也成為靜介電係數(permittivity, 也稱誘

電率)。

測量

相對介電常數(relative dielectric constant) εr (有時用κ或K表示)定義為

如下比例:

其中εs 是指介質的靜電介電常數, 而ε0 是指真空介電常數。 這裡的自由空

間介電常數是由電場強度E和導電通量密度D通過麥克斯韋方程式導出. 真空下

的(自由空間)介電常數ε 為ε0, 所以介電常數為 1(ε0是基本量綱).

對於時變電磁場，物質的介電常數和頻率相關，通常稱為介電係數。

實際用途 介電常數是設計電容器時的基本信息，而在其他各種材料可能會引入電容到

電路中的場合也是。如果有高介電常數的材料放在電場中，場的強度會在電介質

內有可觀的下降。這個事實常常用於增加特定電容器設計的電容。印刷線路板

(Printed Wiring Boards，簡稱 PWB)蝕刻的導體下面的層也用作電介質。

電介質也用於射頻傳輸線。在同軸電纜中，聚乙烯可以用於隔離中心的導體

19

和外層的屏蔽。它也可以放在波導中間以形成電介質波導。電介質波導很少被用

到，因為所有已知的電介質材料的介電損失對於有效傳輸電磁場來說太大了，但

是它們可以用於特殊應用，例如用在濾波器中。

光纖被有意摻上了雜質以便控制εr在橫截面的精確值。這會控制材料的反

射係數從而也控制光傳輸的模式。 摻雜光纖也可用來形成光學放大器。

損耗係數 給絕緣體施加交流電壓時，分子在電阻的作用下發生振動，部分電能轉化為熱能，從而使絕緣體發熱。作為此時電能損失程度的衡量標準，人們引入了損耗

係數這一概念（充電電流與損失電流之比）。一般來說，為了減少電能損失，損

耗係數的值越小越好，但像把電能損失而產生的熱量用於醫療和半導體幹燥等場

合的感應加熱那樣，有時也需要較大的損耗係數。

八、鬆弛時間與導電度

介電材料中的電荷受到電場作用時，因為＂慣性＂的作用，必須經過一段

所謂的鬆弛時間(relaxation time)，才會移動到平衡位置。每一種介電材料皆

具有特定的鬆弛時間，使用的頻率對鬆弛現象有很大的影響。最大介電損失是發

生在鬆弛過程的週期與外加電場的週期相同時，此時介電常數也會下降。當鬆弛

時間遠比外加電場週期長時，介電損失就很小。相同的，當鬆弛時間遠比外加電

場週期短時，介電損失也很小。這種現象尤以鐵電材料最明顯。

導電度就是測量溶液中能夠流過電流的能力，與電阻呈倒數關係，而導電度大小

約與溶液電離子的數量呈正比。導電度分析儀器是利用兩極板並施加電壓來測

量。

K = G * L / A

K：導電度(S/cm) G：測量到的導電量

L：兩極板間的距離(cm) A：極板的面積(cm2)

20

在導電度計的sensor(感測器)中有一個叫Cell constant(細胞常數)的係數，就

是上述式中之L/A。這個Cell constant是依據待測溶液的導電度範圍來決定。高

導電度的測量，必須增加兩 極板的距離，以獲得適當的輸出，所以選用之Cell

constant愈大，反之如果溶液的導電度很低，則極板間的距離必須縮短才測得

到，所以Cell constant的數值也愈小。

鬆弛時間所需計算公式如下：

電荷鬆弛時間為 τ=ε/σ

介電常數 ε=εr ‧εo

水導電度 σ=360μs / cm

頻率 =1 /τ

實驗設備

1. 訊號產生器：訊號產生器是一可產生不同波形，幅度及頻率交換訊號的儀

器。

2. 示波器：示波器(Oscilloscope) 是在時域 (Time domain)來顯示信號的形狀的

儀器，而頻譜分析儀 (Spectrum Analyzer) 則是在 頻域 (Frequency domain) 來顯

示信號的形狀的儀器。

3. 光學顯微鏡：光學顯微鏡以玻璃透鏡之配合而使影像放大，電子顯微鏡以電

磁透鏡為放大系統。同時二者使用的光源顯著不同，前者使用燈絲加熱所發出的

可見光為光源，後者利用燈絲產生的熱電子為光源。

21

示波器 光學顯微鏡

自製電容 訊號產生器

實驗流程

本研究之自然組裝方式系以表面電荷互相吸引為主，當酵母於一電場中被極

化時，表面產生電偶。利用電偶相吸之特性與非均勻電廠作用之方式，達到自我

組裝之目的。實驗過程中，直流電場易產生水解，水解現象發生時易使電極受損

壞，為避免水解現象發生，故採用交流電場為驅動訊號，藉由驅動訊號之改變獲

得最佳之組裝參數，達到預期質之效果。

22

研究動機與架構

本研究住要利用細胞及溶液具有不同介電特性，當受到非均勻性交流電下而

產生又發電荷而有不同電極化(electrical polarization)現象，造成有些種類

的細胞受到正介電泳力(positive DEP force)往高電場強度方向移動，另外有些

則受負介電泳力(negative DEP force)往低電場區方向移動，而透過正負介電泳

23

力將細胞收集至不同電場區域而達到分離效果。利用危機電製程技術，設計為小

電極組於玻璃晶片上，並探討電極組織電場分佈，進而能預估細胞移動收集的情

形，藉由微流體幫浦注入分離樣本，達到分離及分類收集的目的，以下為研究架

構圖。

微機電製程技術

平面式極立體式電極 容易電導度量測系統

分離通道設計 輸入電壓及頻率大小

電性量測與控制

晶片設計

介電泳式生物分離系統

分離系統的建立 分離系統的建立

微住入樣本系統 ANSYS 電場強度模擬

介電泳電驅動控制 頻率與電壓之影響

分離影像擷取系統 分離溶液電導度之最佳值

24

結論與展望未來

應用目前的粒子導電度量測法，和目前 latex 樣本（Sigma Corp.）配合 有修飾官能基的 latex 可以做表面修飾來改變表面電導值,如以 EDAC 作表面活 化（surface activation）後，分別作單層蛋白質和 Sterpavidin 兩種不同修飾， 或修是二抗的蛋白質,進行 zeta 電位測量來決定粒子導電度和介電泳分離頻段 ，是否可分離等一些資訊,給予叫廣層面的應用性。

在進行下一階段之研究目標：將塑膠薄型電泳晶片實際應用於生化分析上 之前，仍有問題尚待解決：例如分離 DNA 時，緩衝的溶液過於黏稠，導致推送有困難，於是在研究蛋白質分析中，如何減少吸附之影響需多努力。

塑膠晶片最終目的在於以最低的成本快速製造以及製成拋棄式，若再配合 縮微晶片實驗室（Lab-on-a-Chip）設計概念將可大幅縮短整體分析時間。此種 大量、快速、可自動化及低成本之分析工具，將有助於疾病偵查、醫療研發、 及蛋白質體學研究上，以達到事半功倍之效果。

介電泳力應用於生物晶片之研究，是一個相當具有可看性的活性生物體操 控工具，不僅具備高效能、低耗電且不容易破壞生物本身。其可操控如細胞、 蛋白質、 DNA 等生物體，在生物晶片的應用上，扮演一個極重要的角色。 本研究對於國內生物晶片研究最大的貢獻，在於成功地應用介電泳利於生物晶 片上，開啟了第一扇門。研究論文中詳細地介紹了介電泳基本原理及數學模型 ，並藉由微機電製程技術，製作各式微型細胞操控晶片，驗證介電泳力的各種 操作模式，將來若能配合各方領域的巧思，必能善用介電泳力來發展各式各樣 之生物晶片。 介電泳力在生物晶片上是一個強而有力的工具，目前已知的應用共計以下 幾種：(1) 細胞固定、(2) 細胞傳輸、(3) 細胞分離、(4) 細胞對位、(5) 細胞量測、(6) 細胞分類、(7) DNA 操控等功能。因此，如何藉由本研究為起點，進 而研發出各式各樣以介電泳力為基礎之生物晶片,將是近程的研究目標。 而隨著微機電製程技術的應用，目前已有許多關於細胞、蛋白質或 DNA 的生物晶片，陸續地被其他相關實驗室研發出來，如：細胞計數晶片、電胞模 穿孔晶片、細胞融合晶片、細胞胞解晶片、毛細管電泳晶片及檢定未知蛋白質 之微電質譜晶片等。若將這些元件整合，將可在數平方公分的晶片上，獲得原 本需要一個實驗是大小才容納的下的實驗設備功能，如：蛋白質純化及檢定晶 片、單株抗體製備晶片、基因轉殖及檢測晶片等。因此，如何將各種不同功能

25

的晶片模組，整合成一個具有多功能之晶片，進而商品化，對生化醫學檢測及 人類福祉有所貢獻,將是遠程的研究目標。

26