發展可調式介電泳微流晶片分離多尺寸與性質之粒子及其生醫應用 FY2013~FY2014
基於大小來分離細胞是一個許多生物醫學檢測重要的預先處理步驟,如血液洗脫(blood elution)、細胞培養(cell culture)、細胞診斷 (cell diagnostics)等等。傳統的方法通常使用離心或薄膜過濾法(membrane filtration),但是這些方法可能會造成樣本的浪費、耗時費工、效率低等缺點。因此對於相關領域來說,發展一個耐用、高通量(high-throughput)、高效率的分離設備有相當的重要性。近年來,實驗式晶片吸引了許多國內外研究團隊及產業界的重視,且已紛紛投入相當大的心力來研發。實驗式晶片(lab-on-a-chip)是一種在數公分大小的晶片上面就可以完成傳統實驗室所做的分析流程的微小裝置,其應用範圍相當廣泛,如醫學檢測、新藥開發與食品檢測等等。實驗室晶片具備了減少樣本使用量、減少人力需求、加速實驗流程、簡化操作程序以及節省實驗空間等優點,由於「微小化」是現在各類醫學檢測研發的趨勢,使得可將實驗分析流程整合至一晶片的微流體晶片技術被廣泛地發展。醫生未來可望使用實驗室晶片,只需要少量的病人檢體樣本,在短時間內立即且準確診斷出病人的疾病,對症下藥。受惠於微流體技術在近幾年的進展,可利用這種技術來發展更好的基於大小的粒子分離方法,在過去的幾年中已經提出了很多種基於粒子大小的分離技術。當中,介電泳(Dielectrophoresis, DEP)是最受關注的,尤其在連續的粒子分離(continuous size separation)是一個前景看好的技術。介電泳效應之原理是由H.A Pohl在 1951 年所提出[1],DEP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。微小未帶電荷中性粒子懸浮在緩衝溶液中,受到外加的非均勻交流電場作用下,使得未帶電荷粒子產生極化誘發偶極距,且此電偶極距之方向會隨著粒子與其懸浮液間極化能力(Polarizability)的相對關係而改變。若粒子電偶極距方向指向高電場強度區域,造成微小粒子往高電場強度區域移動,稱為正介電泳效應(positive DEP);而相反的,若粒子電偶極距方向指向低電場強度區域,則稱為負介電泳效應(negative DEP)。
近年來,新型病毒快速崛起,例如2003年SARS病毒造成的非典型肺炎;2005年的禽流感病毒H1N1、H5N1等,皆說明病毒診斷與疫苗快速開發的重要性。早期診斷及早期治療對控制病毒感染十分重要。要診斷為何種病毒,須先將檢體中混合的其他物質與病毒分離開來。現今的病毒分離有運用離心法、聚合酶連鎖反應(PCR)、或是以人工識別並圈選電顯圖中的病毒。在過程中,樣本難免會有些耗損,對於數量本來就較少病毒來說(例如C肝病毒),就不易收集並分離,並且整個步驟耗時、耗成本,並需要有經驗的人工技術和專業場所,或若用螢光物質標定,也難保不會改變病毒原有之性質。有鑑於此,非破壞與非侵入式的介電泳力相當適合發展成為快速、自動化並且低成本的分離技術。近來,已有相當多研究利用細胞大小的不同,所產生的流體力學和介電泳力的差異,來分離想要收集的細胞。此種裝置通常輕小,樣品量不需多,也不用專業的技術操作,因此適合未來發展為居家照護或是協助快速鑑定新種病毒的晶片。
藉由過去對於介電泳力和微流體晶片的研究與技術,本研究提出了一種可調式介電泳粒子分離晶片,和以往藉由介電泳力以粒徑大小分離粒子的裝置相比,本設計利用電極與出口流道相對位置的巧妙排列,將需要的空間和電極降到最低,整個裝置易清洗,可重覆使用,且可分離更小、更大量的粒子。通過調控電壓和輸入流速,粒子大小和分離模式不會受到太大的限制,使得本裝置更耐用和靈活。如圖所示,最終希望將本技術應用到病毒和血球的分離的前期研究,加速抗病毒疫苗的開發。
近年來,新型病毒快速崛起,例如2003年SARS病毒造成的非典型肺炎;2005年的禽流感病毒H1N1、H5N1等,皆說明病毒診斷與疫苗快速開發的重要性。早期診斷及早期治療對控制病毒感染十分重要。要診斷為何種病毒,須先將檢體中混合的其他物質與病毒分離開來。現今的病毒分離有運用離心法、聚合酶連鎖反應(PCR)、或是以人工識別並圈選電顯圖中的病毒。在過程中,樣本難免會有些耗損,對於數量本來就較少病毒來說(例如C肝病毒),就不易收集並分離,並且整個步驟耗時、耗成本,並需要有經驗的人工技術和專業場所,或若用螢光物質標定,也難保不會改變病毒原有之性質。有鑑於此,非破壞與非侵入式的介電泳力相當適合發展成為快速、自動化並且低成本的分離技術。近來,已有相當多研究利用細胞大小的不同,所產生的流體力學和介電泳力的差異,來分離想要收集的細胞。此種裝置通常輕小,樣品量不需多,也不用專業的技術操作,因此適合未來發展為居家照護或是協助快速鑑定新種病毒的晶片。
藉由過去對於介電泳力和微流體晶片的研究與技術,本研究提出了一種可調式介電泳粒子分離晶片,和以往藉由介電泳力以粒徑大小分離粒子的裝置相比,本設計利用電極與出口流道相對位置的巧妙排列,將需要的空間和電極降到最低,整個裝置易清洗,可重覆使用,且可分離更小、更大量的粒子。通過調控電壓和輸入流速,粒子大小和分離模式不會受到太大的限制,使得本裝置更耐用和靈活。如圖所示,最終希望將本技術應用到病毒和血球的分離的前期研究,加速抗病毒疫苗的開發。