新世紀的化學工程:快速偵測與分析的實驗室晶片 / 莊怡哲

星期二 , 13, 九月 2016 Leave a comment

新世紀的化學工程:
快速偵測與分析的實驗室晶片

莊怡哲

國立成功大學化學工程學系
yjjuang@mail.ncku.edu.tw

n  前言

幾乎每個人都有進過醫院、看過醫生,不管是做身體的健康檢查或疾病的診斷。在報到或問診完後總是先抽取一或數管的血液和收集一管的尿液,然後交給護士,之後在不同儀器機台上進行繁瑣或費時的樣品處理及分析,有的還算快,十幾分鐘後就知道檢測的結果,有的就非常慢,得幾小時甚至幾天後才知道檢測的結果。想像一下,如果對於每項檢測都能僅抽取些微的樣本(血液或尿液),並且在數分鐘之內便能知道檢測的結果,這將使得醫生、受測者或病患能在最短時間內了解自身的健康狀況或病情,進而提供即時的建議或治療。更進一步,如果這些檢測可以在家裡自我實施,亦即重點照護檢驗(point-of-care test),對於行動不便者或忙碌的人將是一大幫助,若再透過網路醫療系統,將檢測的結果上傳並建檔,便可和醫生保持相當程度的互動。另外,針對汙染物或是毒物的檢測若也能更靈敏、快速、簡易,則在環境污染防治或是食品安全的把關就可以更有效率。近年來,隨著微全分析系統(micro total analysis system, mTAS)或實驗室晶片(lab chip)的發展,上述的願景已經或是逐漸在實現當中。本文將介紹所謂的實驗室晶片,以及建構實驗室晶片所需要的微流體系統技術。

n  實驗室晶片微流體系統技術

何謂微全分析系統或實驗室晶片?就是將樣品的處理及分析(如輸送、分離、集濃、偵測等單元操作)整合在一個具有可容納及輸送微量樣品的晶片上,這樣的晶片就是所謂的實驗室晶片。第一個實驗室晶片是由Dr. S.C. Terry等人在1979年所發展出來的,用於氣相層析[1],之後在1990年初由Prof. Manz及其團隊將實驗室晶片的概念用於化學偵測分析,並且作進一步的闡述與發展[2-4],再加上當時基因體研究及發展可攜式生化武器偵測系統的需求,進而促使這方面的研究迅速蓬勃地發展。由設計和構造來看,實驗室晶片其實就是屬於微流體系統(microfluidic system)。微流體是一探討在微米(106 m)至一毫米(10–3 m)之間的尺度下操控微量流體的科學與工程技術(Microfluidics is the science and engineering of systems that manipulate small amounts of fluids at length scales from a few micrometers up to a millimeter.[5]。簡單來說,就是我們平時用來輸送流體的管子,把它的直徑縮小到微米(mm[註一]與一毫米(mm)之間。當微小化之後,第一個驚嘆(至少就我而言)是我們竟然可以在悠遊卡大小一般的基板上進行流體的驅動及生化分析實驗,而且所需要的樣品量只有幾微升(1 mL = 10–3 mL)!(以前做單元操作實驗都是在諾大的實驗室裡,面對直徑動輒一、兩吋以上的管子及以毫升(mL)甚至升(L)為單位的瓶子)。其次是微流體晶片除了類似方形的悠遊卡之外,也可以是圓形的光碟,如圖一所示。

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圖一:Lab Card(左)和Lab Disk(右)
(圖片來源:http://goo.gl/y5Aods; http://goo.gl/wx6lyD. Credited by Google

此外,不同作用力以及其對於流體流動的影響也與我們平常的認知有所不同:

()、表面力(surface force)變得很重要:由於表面張力、黏滯力等表面力與尺度是呈平方的關係(F l2),因此相較於與尺度是呈立方關係(F l3)的體積力(volume force)如重力、慣性力等,在尺度縮小的過程,表面力減小得比較緩慢,如圖二所示。這也就是為什麼紙巾能吸水、植物根部吸收的水分能經由莖內維管束上升、燭火可以在蠟燭蕊上不熄滅的原因。

   擷取

圖二:不同作用力的大小與尺度的關係[6]

()、流體的流動屬於層流:在流道裡,我們用雷諾數(Reynolds number, Re)來判斷流體流動為層流或是紊流,其定義為慣性力與黏滯力的比值,如式1所示:

clip_image008    [1]

此處:r 流體密度、U流體速度、h 流體黏度、l特徵長度(如管徑)。

Re小於2000時,流動屬於層流;Re大於3000時,流動屬於紊流。由式1可以知道,當管徑越小時,Re就越小。以水而言,一般家中的水管直徑約為2 cm,水流速度約為1 m/s,則Re約為20000,屬於紊流;如果將管徑縮小為200微米,Re則變為2,屬於層流[註二](見圖三)。

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圖三:微流體晶片中層流流動
(圖片來源http://burakeral.yolasite.com/

()、溶質不容易在兩流體間產生混合:在微流道裡,由於流體的流動屬於層流,因此溶質在兩流動流體間的混合主要是依賴溶質的擴散。我們用匹列數(Peclet number, Pe)來描述溶質在兩流體間混合的情形,其定義為溶質在流體中的對流速率與擴散速率(或是擴散時間與對流時間)的比值,如式2所示:

clip_image012    [2]

此處:U流體速度、D擴散係數、l特徵長度(如管徑)

因此,要使溶質在兩流體間混合需要流道長度z如式3所示:

clip_image014    [3]

以牛血清蛋白溶液與水溶液混合為例,牛血清蛋白的擴散係數D約為10–10 m2/s,若兩流體以流速100 mm/s在寬度100 mm的微流道內同向流動,其Pe約為100,表示兩流體幾乎沒有混合,必須有100倍管徑的流道長度(也就是1 cm)才能使牛血清蛋白在兩流體間混合。這也是為什麼,在圖三中,三股不同顏色的流體可以從進口端至出口端保持其原色而不相混合的原因。

()、擴散所需的時間減少:這是因為擴散距離與時間的關係,如式4所示:

clip_image016    [4]

()、需要較大的壓力來輸送流體:在圓形管道中,流體的流量與輸送壓力可以用Hagen-Poiseuille equation來描述,如式5所示:

clip_image018   [5]

此處:P壓力降、流體黏度、L管道長度、Q流量、R管徑。

5可以知道,當管徑縮小1/2時,壓力需要增加為原來的16倍(亦即與R4成反比)才能輸送相同的水流量。所以,在巨觀世界裡,我們用幫浦(或壓力)來輸送流體;但是在微流體系統裡,除了壓力之外,我們可以利用電動力(electrokinetics)、聲波力(acoustics)、毛細力(capillarity)、離心力(centrifugation)等來輸送流體。另外,對於流體中的粒子也可以透過上述作用力以及其他作用力,如磁力或光鉗光鑷(optical tweezers)等,輔以微流體元件(microfluidic components)或結構(microstructures)達到操控的目的。

n  微流體晶片的優點與應用

由於微流體的特色,微流體晶片具有以下的優點:

()、所需樣品量少 à 廢棄物少、試劑成本較低

()、快速分析、較短的響應時間(response time ß 較短的擴散距離、加熱快速、高表體比(surface-to volume ratio

()、較佳的程序控制 ß 較短的響應時間

()、可同時進行多種樣品分析 à 高通量分析、分析成本降低

()、高偵測靈敏度 ß 樣品可前處理(如分離、集濃修飾等)可搭配多種偵測技術

()、可大量製造 à 降低製作成本、可拋式晶片

()、可攜式 ß 微型化

()、無需很大的實驗室空間 ß 微型化、整合多個單元操作(如分離、集濃等)

也正因為這些優點,使得微流體晶片在偵測分析上較傳統的方式更具吸引力。例如:傳統上使用凝膠電泳(gel electrophoresis)來分離、分析大分子(如DNARNA、蛋白質)以及其碎片。相較於傳統的方法,利用微流體晶片進行毛細凝膠電泳(capillary gel electrophoresis)可以避免繁瑣的凝膠準備程序及減少焦耳熱效應(Joule heating),並且可在幾分鐘之內完成分析。另外,相較於使用96孔反應盤(96 microtiter plate),研究也顯示使用光碟微流體晶片(compact-disk microfluidic chip)來進行酵素連結免疫吸附法(Enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA可以使整個準備及分析過程所花費的時間由十幾個小時縮短至一個半小時[7]

關於微流體晶片的應用,其實大家並不陌生,像是用來檢測酸鹼、懷孕、血糖、藥物濫用等試紙或試片,就是屬於一種非常簡單的微流體分析方式,稱為橫向流動測試(lateral flow test)。當然,也有其他形式的微流體晶片已經商業化。根據FluidicMEMS的資料,全世界約有250多家微流體公司,製作的微流體晶片主用於醫療診斷,如全血或是尿液的檢測分析(i-STAT system from Abott, Piccolo Express centrifugal disk from Abaxis, Claros 1 from OPKO Diagnostics等)、致病菌的偵測(3MTM Integrated Cycler from 3M/Focus diagnostics, GeneDisk from GeneSystems等)、HIV診斷(PimaTM CD4 Analyzer from Alere Technologies等),其中也有製作微流體和生物微機電(bio-micro-electro-mechanical system, bioMEMS)元件的公司。

n  結語

「偵測與分析」與我們日常生活密不可分,從健康照護、早期診斷治療到環境監控以及食品檢測,而實驗室晶片(或微流體系統晶片)提供了一個可以快速偵測與分析的工具,這是由於微型化後,流體流動的特性以及人們可以使用不同的作用力對於流體和待測物進行快速精確有效的操控所致。另外,隨著奈米技術的發展,將現有的實驗室晶片與奈米流道結合也成為研究的方向之一。例如:具有30奈米通道的「高感度分子與生醫快篩晶片系統」,只要一滴血,就可以在30秒內檢測出是否罹癌,對於早期診斷出癌症有極大的幫助[8]。相信不久的將來會有更多類似的研究成果變成產品,在產品具有更好的偵測與分析能力之下,確保我們能有更健康、更安全的生活。

n  附註

註一:一根頭髮的直徑約100 mm

註二:在微流體中,一般流速的範圍在1 mm/s1 cm/s之間,管徑範圍1 mm1 cm之間,因此Re介於10–6100

n  參考文獻

1.        Terry, S. C., Jerman, J. H., and Angell, J. B., IEEE Transactions on Electron Devices, 26(12), 1880-1886(1979).

2.        Manz, A., Graber, N., and Widmer, H. M., Sensors and Actuators B, 1, 244-248(1990)

3.        Manz, A., Fettinger, J. C., Verpoorte, E., Liidi, H., Widmer, H. M., and Harrison, D. J., Trends in Analytical Chemistry, 10(5), 144-149(199l).

4.        Verpoorte, E. Manz, A., Liidi, H., Bruno, A. E., Maystre, F., Krattiger, B., Widmer, H.M., van der Schoot, B. H., and de Rooij, N. F., Sensors and Actuators B, 6, 66-70(1992)

5.        Whitesides, G. M., Nature, 442(7101), 368-373(2006).

6.        Fearing, R. S., 1995 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems ‘Human Robot Interaction and Cooperative Robots’, 2, 212-217 (1995) on, Volume: 2

7.        He, H., Yuan, Y., Wang, W., Chiou, N. R., Epstein, A. J., and Lee, L. J., Biomicrofluidics, 3, 022401(2009).

8.        晶片快篩 30秒檢出癌症,http://news.ltn.com.tw/news/focus/paper/991476

                                                                                                                                                                                              .

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