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| DC 欄位 | 值 | 語言 |
|---|---|---|
| dc.contributor.advisor | 沈弘俊 | zh_TW |
| dc.contributor.author | 曾柏崴 | zh_TW |
| dc.contributor.author | Pao-Wei Tseng | en |
| dc.date.accessioned | 2021-07-11T15:06:28Z | - |
| dc.date.available | 2024-08-15 | - |
| dc.date.copyright | 2019-08-22 | - |
| dc.date.issued | 2019 | - |
| dc.date.submitted | 2002-01-01 | - |
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| dc.identifier.uri | http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/78599 | - |
| dc.description.abstract | 本研究成功開發出一款新型的奈米粒子聚集裝置，其包括環形電極陣列(Circular Electrode Arrays)、微流體晶片(Microfluidic Chip)及電路系統(Electrical System)三大部分。透過輸入單一低頻且不同實驗條件的交流電訊號於環形電極陣列中，可以比較其電動力學效應的差異，而隨著環境溶液的離子濃度提高時，電雙層屏蔽效應會導致其操控粒子的能力下降，最後再透過施加多重訊號於環形電極陣列中，突破電雙層屏蔽效應，使環形電極陣列在離子濃度提高的情況下，仍能收集一定數量的奈米粒子於其表面上。
本研究分為三大部分：環形電極陣列部分，透過電極寬度和電極間距等比例沿徑向方向增加的設計，使得施加具有相位差的交流電訊號於環形電極陣列後，能產生耦合旅波電滲透和介電泳的電動力學效應，而使裝置無需連接外部的幫浦，並能收集奈米級粒子於電極陣列表面的中心線上；電路系統部分，透過整合外部的類比開關於電路中，可以產生低頻方波中載以高頻波，且能同時開、關的交流電訊號，不僅能產生更強的電動力學效應去突破電雙層屏蔽效應，也使實驗設定的操作空間變得更加靈活；螢光強度分析部分，不僅可以透過螢光粒子的運動行為了解電動力學效應，更進一步透過影像處理軟體去分析電極陣列上的螢光強度變化，量化聚集奈米粒子的效果及電雙層屏蔽效應的影響。 操作實驗時，在環形電極陣列中的每根電極以相位差相差90度的模式施加交流電訊號，透過不均勻的電場產生介電泳現象，而電滲透則是透過電場的切向力使擴散層中的電解質移動，再由移動的電解質牽引環境溶液流動，然後耦合的電動力學效應會將微流道腔體中的奈米螢光粒子收集至電極陣列的表面上，而奈米螢光粒子運動的過程會由光學系統完成拍攝，最後再以影像處理軟體分析螢光強度的變化。 此研究成功提出一種低成本、製程時間下降且無需外部幫浦的樣品準備方法。此外，透過施加多重驅動訊號所產生的電動力學效應，可以有效突破電雙層屏蔽的影響，而強化收集奈米粒子的功能。 | zh_TW |
| dc.description.abstract | In this research, we successfully develop an innovative nano-particle accumulation device, including three components such as Circular Electrode Arrays, Microfluidic Chip and Electrical System. We compare different electrokinetic effects by applying different-amplitude, low-frequency and single-waveform AC signals into Circular Electrode Arrays. Besides, the Debye-shielding effect will cause negative impact on particle manipulation when the ion concentration of medium increases. To break through the shielding effect, we apply multiple-driving waveform AC signals in Circular Electrode Arrays, induce stronger electrokinetic effects and then finally collect a certain number of nano-particles on the surface of electrodes.
This research is divided into three parts: (1) Circular Electrode Arrays, they are displayed in radial form, contain 16 electrodes in total and the line width and gap between electrodes increase along radiant direction. With this design, we generate coupling electrokinetic effects of Traveling Wave Electroosmosis (TWEO), Dielectrophoresis (DEP) to concentrate nano-particles onto center line of electrode surface after applying AC signals which contain 90-degree phase difference. (2) Electrical System, we integrate analog switches into circuit board. By doing so, we don’t only break through shielding effect with multiple-driving waveform AC signals, but enable experimental operation to have a wide range of settings. (3) Analysis of fluorescent intensity, we understand coupling electrokinetic effects substantially by observing fluorescent particle motion. Besides, we quantify the performance of particle accumulation and the influence of Debye-shielding effect by analyzing the variation of fluorescent intensity on Circular Electrode Arrays. During the experiment, we divide Circular Electrode Arrays into 4 sets and each set is applied with voltage, V_0 cos(ωt+φ_i), where the phase terms φ_i are 0˚, 90˚, 180˚ and 270˚ in sequence. In this circumstance, DEP is induced by nonuniform electric field. As for electroosmosis, it is the phenomenom that the electric tangential force moves the electrolytes in diffusion layer, and the moving electrolytes drive the medium. After the coupling electrokinetic effects are generated, the fluorescent nanoparticles will be collected onto the surface of Circular Electrode Arrays. In the same time, the particle motion is recorded by optical system. Finally we will use image processing software to analyze the variation of fluorescent intensity. An efficient solution for sample preparation is offered in this research. Remarkably, this solution is low-cost, time-saving and without interconnection of external pump. Furthermore, we effectively break through the Debye-shielding effect by applying multiple-driving waveform signals into Circular Electrode Arrays, and finally enhance the performance of collecting nano-particles. | en |
| dc.description.provenance | Made available in DSpace on 2021-07-11T15:06:28Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ntu-108-R06543073-1.pdf: 4338535 bytes, checksum: 79bb5951f6dcd64c00c85324c5c36e8b (MD5) Previous issue date: 2019 | en |
| dc.description.tableofcontents | 誌謝 i
摘要 ii ABSTRACT iii 目錄 v 第一章 導論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機與目的 2 1.3 研究方法 3 1.4 論文架構 4 第二章 文獻回顧 5 2.1 實驗室晶片生物檢測技術 5 2.2 電動力學效應 7 2.2.1 介電泳 7 2.2.2 電滲透 12 2.3 電雙層屏蔽效應 13 第三章 實驗系統架設與實驗方法 17 3.1 奈米粒子聚集裝置的設計與製程 17 3.1.1 微流道的設計與製程 18 3.1.2 環形電極陣列的設計與製程 21 3.2 電路設計 24 3.2.1 低頻弦波訊號的電路設計 24 3.2.2 低頻方波載以高頻觸發弦波訊號的電路設計 24 3.3 添加奈米螢光粒子的環境溶液 31 3.3.1 氯化鉀溶液的配製 31 3.3.2 各離子濃度的導電度量測結果 31 3.3.3 奈米螢光粒子 32 3.4 奈米螢光粒子運動觀測系統及其他實驗設備與軟體 34 第四章 實驗結果與討論 41 4.1 施加低頻弦波訊號而聚集奈米螢光粒子的效果探討 41 4.2 比較不同波形訊號所產生的聚集效果 44 4.3 施加低頻方波載以高頻觸發弦波訊號而聚集奈米螢光粒子的效果探討. 48 第五章 總結與未來展望 59 5.1 結論 59 5.2 未來展望 60 參考文獻 61 圖2.1：應用軟微影技術，並以不同的方式將微結構的圖案如印章般壓印在金薄膜上，（a)平面印章，(b)滾輪式印章，(c)印在非平板狀的金薄膜[23] 6 圖2.2：結合微影蝕刻技術(Photolithography)及軟微影技術(Soft Lithography)，製作微流道的流程圖[23] 6 圖2.3：在交流電場作用下，(a)：正介電泳示意圖，(b)：負介電泳示意圖[29] 9 圖2.4：圓球狀粒子的模型，(a)單一殼層的粒子，(b)雙殼層的粒子，(c)多重殼層的粒子 10 圖2.5：活的紅血球細胞和死的紅血球細胞其Re(CM)和頻率的關係圖[44] 10 圖2.6：(a)粒徑為15 µm的粒子(綠色)和粒徑為1 µm的粒子(橘色)在分離前的畫面 11 圖2.7：電雙層、電雙層厚度(Debye length)、介達電位(Zeta potential)及表面帶負電的材料，其正離子分布示意圖(因為正離子分布的密度大於負離子分布的密度，故只標出正離子的分布)[49]。 14 圖2.8：當電解質溶液的離子濃度提升時，壓降與距離的關係曲線變化圖。[50] 15 圖2.9：電雙層厚度與KCl水溶液離子濃度的關係圖。 16 圖3.1：裝置示意圖 17 圖3.2：矽晶圓母模照片 20 圖3.3：PDMS晶片照片 21 圖3.4：環形電極陣列設計圖之中心處(單位：µm) 23 圖3.5：低頻弦波訊號輸出示意圖 24 圖3.6：低頻方波載以高頻觸發弦波訊號輸出示意圖 25 圖3.7：類比開關的圖片 25 圖3.8：類比開關的尺寸圖 27 圖3.9：類比開關的方塊圖 28 圖3.10：多重波形訊號輸出的電路圖 30 圖3.11：導電度與離子濃度的關係圖 32 圖3.12：在不同導電度的情況下，蛋白質的Re(CM)與頻率的關係圖[54] 32 圖3.13：Merck公司生產的F1-XC 030 335nm綠色螢光粒子 33 圖3.14：奈米螢光粒子的Re(CM)與頻率的關係圖 34 圖3.15：高壓汞燈(U-LH100HG) 35 圖3.16：正立式光學顯微鏡(BX51M) 35 圖3.17：四通道訊號產生器(Wavetek 195) 36 圖3.18：雙通道訊號產生器(33500B) 37 圖3.19：電源供應器(GPC-3030DQ) 37 圖3.20：示波器(DSOX3014A) 38 圖3.21：針筒注射幫浦(kdScientific-KDS-210) 38 圖3.22：導電度計(EZDO 6022) 39 圖3.23：(a)施加電場前的畫面，(b)施加電場後的畫面 39 圖3.24：平均螢光強度-時間關係圖 40 圖4.1：離子濃度為100 µM，施加電場前及施加電場35秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 41 圖4.2：離子濃度為200 µM，施加電場前及施加電場35秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 41 圖4.3：離子濃度為400 µM，施加電場前及施加電場35秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 42 圖4.4：離子濃度為800 µM，施加電場前及施加電場35秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 42 圖4.5：離子濃度為1000 µM，施加電場前及施加電場35秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 42 圖4.6：利用有限元素分析法模擬電極上的電場分佈結果。(a)模擬的幾何構型，紅色的區域為交流電訊號相位相差90˚的兩根電極。(b)角度方向以及徑向方向的電場分佈。[19] 43 圖4.7：離子濃度為100 µM、200 µM、400 µM、800 µM及1000 µM的情況下，平均螢光強度與時間的關係圖。 43 圖4.8：離子濃度為100 µM，不同波形訊號的輸出示意圖 45 圖4.9：離子濃度為100 µM；波形：弦波；Vpp：2 V；施加電場前及施加電場35秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 45 圖4.10：離子濃度為100 µM；波形：弦波；Vpp：3 V；施加電場前及施加電場35秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 45 圖4.11：離子濃度為100 µM；波形：方波；Vpp：2 V；施加電場前及施加電場35秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 46 圖4.12：離子濃度為100 µM；波形：方波；Vpp：3 V；施加電場前及施加電場35秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 46 圖4.13：離子濃度為100 µM；波形：低頻方波載以高頻連續弦波(相位差給在低頻方波)；Vpp：3 V；DC Offset：1.5 V；施加電場前及施加電場35秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 46 圖4.14：離子濃度為100 µM；波形：低頻方波載以高頻連續弦波(相位差給在高頻弦波)；Vpp：3 V；DC Offset：1.5 V；施加電場前及施加電場35秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 47 圖4.15：離子濃度為100 µM，不同波形的螢光強度與時間的關係圖 47 圖4.16：平移低頻方波載以高頻觸發弦波訊號的相位差示意圖。(A)：相位差平移0˚。(B)：相位差平移90˚。(C)：相位差平移180˚。(D)：相位差平移270˚。其中，綠色的區塊代表聚集奈米螢光粒子的電極。 48 圖4.17：離子濃度為100 µM，相位差平移0˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 49 圖4.18：離子濃度為100 µM，相位差平移90˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 49 圖4.19：離子濃度為100 µM，相位差平移180˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 49 圖4.20：離子濃度為100 µM，相位差平移270˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 50 圖4.21：離子濃度為100 µM，相位差平移0˚、90˚、180˚及270˚，平均螢光強度與時間的關係圖。 50 圖4.22：離子濃度為200 µM，相位差平移0˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 50 圖4.23：離子濃度為200 µM，相位差平移90˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 51 圖4.24：離子濃度為200 µM，相位差平移180˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 51 圖4.25：離子濃度為200 µM，相位差平移270˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 51 圖4.26：離子濃度為200 µM，相位差平移0˚、90˚、180˚及270˚，平均螢光強度與時間的關係圖。 52 圖4.27：離子濃度為400 µM，相位差平移0˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 52 圖4.28：離子濃度為400 µM，相位差平移90˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 52 圖4.29：離子濃度為400 µM，相位差平移180˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 53 圖4.30：離子濃度為400 µM，相位差平移270˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 53 圖4.31：離子濃度為400 µM，相位差平移0˚、90˚、180˚及270˚，平均螢光強度與時間的關係圖。 53 圖4.32：離子濃度為800 µM，相位差平移0˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 54 圖4.33：離子濃度為800 µM，相位差平移90˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 54 圖4.34：離子濃度為800 µM，相位差平移180˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 54 圖4.35：離子濃度為800 µM，相位差平移270˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 55 圖4.36：離子濃度為800 µM，相位差平移0˚、90˚、180˚及270˚，平均螢光強度與時間的關係圖。 55 圖4.37：離子濃度為1000 µM，相位差平移0˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 55 圖4.38：離子濃度為1000 µM，相位差平移90˚，施加電場前及施加電場90秒後， 56 圖4.39：離子濃度為1000 µM，相位差平移180˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 56 圖4.40：離子濃度為1000 µM，相位差平移270˚，施加電場前及施加電場90秒後，奈米螢光粒子聚集於環形電極陣列上的情形。 56 圖4.41：離子濃度為1000 µM，相位差平移0˚、90˚、180˚及270˚，平均螢光強度與時間的關係圖。 57 圖4.42：離子濃度為100 µM、200 µM、400 µM、800 µM及1000 µM的情況下，平均螢光強度與時間的關係圖。 57 表2.1：操控粒子的方法比較表[24] 7 表2.2：對稱電解質溶液之電雙層厚度與莫耳濃度關係表 16 表2.3：不同莫耳濃度的KCl水溶液所對應的電雙層厚度及導電度 16 表3.1：微流道的規格 21 表3.2：環形電極陣列中心處的規格 23 表3.3：低頻弦波的訊號設定 24 表3.4：低頻方波載以高頻觸發弦波訊號的設定 24 表3.5：類比開關的基本資訊 26 表3.6：類比開關的極限操作和存放條件 26 表3.7：類比開關的建議操作條件 26 表3.8：類比開關的腳位介紹 27 表3.9：類比開關的函數表 28 表3.10：每一公升的溶液中，各離子濃度所需的固態氯化鉀的重量 31 表3.11：各離子濃度的導電度量測結果 31 表3.12：奈米螢光粒子的規格 33 表3.13：四通道訊號產生器(Wavetek 195)的特點 36 表3.14：導電度計(EZDO 6022)產品規格 38 | - |
| dc.language.iso | zh_TW | - |
| dc.subject | 電滲透 | zh_TW |
| dc.subject | 實驗室晶片 | zh_TW |
| dc.subject | 樣品準備 | zh_TW |
| dc.subject | 電雙層屏蔽效應 | zh_TW |
| dc.subject | 介電泳 | zh_TW |
| dc.subject | Electroosmosis | en |
| dc.subject | Sample Preparation | en |
| dc.subject | Debye-shielding Effect | en |
| dc.subject | Dielectrophoresis | en |
| dc.subject | Microfluidic Chip | en |
| dc.title | 施加多重驅動訊號於環形電極陣列所產生的電動力學效應之研究 | zh_TW |
| dc.title | The Electro-kinetic Effects of Multiple-driving Waveforms in Circular Electrode Arrays | en |
| dc.type | Thesis | - |
| dc.date.schoolyear | 107-2 | - |
| dc.description.degree | 碩士 | - |
| dc.contributor.oralexamcommittee | 李雨;林致廷;范育睿 | zh_TW |
| dc.contributor.oralexamcommittee | ;; | en |
| dc.subject.keyword | 實驗室晶片,介電泳,電滲透,電雙層屏蔽效應,樣品準備, | zh_TW |
| dc.subject.keyword | Microfluidic Chip,Dielectrophoresis,Electroosmosis,Debye-shielding Effect,Sample Preparation, | en |
| dc.relation.page | 64 | - |
| dc.identifier.doi | 10.6342/NTU201903210 | - |
| dc.rights.note | 未授權 | - |
| dc.date.accepted | 2019-08-14 | - |
| dc.contributor.author-college | 工學院 | - |
| dc.contributor.author-dept | 應用力學研究所 | - |
| dc.date.embargo-lift | 2024-08-22 | - |
| 顯示於系所單位： | 應用力學研究所 | |
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