表面科學於操控微滴及微粒的應用 --- PART I 前言

前言 (本文發表於 2013/04 化工技術 Vol.241)

表面科學在微滴及微粒的操控技術應用越來越廣泛，例如噴墨印表機的墨水、微滴反應器(生物晶片 biochip)、細胞微粒操控(光學鑷子)、微滴致動幫浦(電潤濕或電滲流驅動)、微流控晶片（microfluidic chip or lab-on-chip）、電潤濕顯示器及液體透鏡等。因為液滴的存在代表有氣/液、液/液、氣/液/固、氣/液/液、或液/液/固的界面存在。尤其當液滴粒徑顯著縮小時，比表面積的躍增將使得表面效應無法被忽視。因此，表面科學在微滴及微粒的操控上一直扮演著舉足輕重的地位。

不同的微滴及微粒應用，需要不同的操控技術。例如噴墨墨水採用壓電或熱泡式的致動原理，需要考慮液滴表面張力及墨水黏度，表面張力會影響供墨、液滴形成及滲透，黏度則影響液滴大小及流動。而生物晶片則是在矽晶片上以微影蝕刻製程，製作出數百個陣列式的檢驗點，來加速篩檢的程序；但如何將檢體依序加入這些微米級的檢驗陣列中，將會是一大挑戰。利用微液滴致動幫浦、光學鑷子或微流控晶片，可以將特定的微滴及微粒混合或傳輸到所需的地方，其傳輸的驅動力主要來自電潤濕、電泳動或電滲流。還有，一種新型顯示器電子紙，也採用電潤濕技術來操控液滴潤濕變化，以其作為顯示畫素。另外，液體透鏡也是利用電潤濕技術，藉由調控液滴接觸角來改變液滴的表面曲率，進而達到調整焦距的目的。

這些微滴及微粒操控技術的共通點，在於有效的應用幾種常見的表面作用力。在跨越界面的不同相間，其分子內聚力不同；故在界面產生眾所周知的表面張力或界面張力。在氣/液/固三相的接觸線上，液滴會有一平衡的形狀，並會形成液滴接觸角θ，如圖1所示。此一平衡狀態，可以用Yang方程式(1)描述。

圖1、界面作用力關係圖。

其中，γ_LG  為氣/液間之界面張力；γ_SG  為氣/固間之界面張力；γ_SL  為液/固間之界面張力。根據Gibbs自由能的描述，在一疏水性介電層(dielectric layer)上，極性水滴的內聚力大於液/固界面張力。故液滴會因內聚力而形成球狀無法潤濕固體表面，其接觸角會大於90度，如圖2(a)。若在此液滴上加入一個電壓，極性水滴會被極化形成電荷吸引，而與疏水性介電薄膜產生親和潤濕現象，此時接觸角小於90度，如圖2(b)所示。上述液滴因電壓產生接觸角變化的現象，稱之為電潤濕現象。

圖2、電潤濕原理示意圖[1]。

圖3、電潤濕顯示畫素的作動示意圖[2]。

Philips的研究人員 Hayes與 Feenstra於2003年利用此原理提出低驅動電壓之電濕潤式顯示器結構[3]。其結構是將極性液體及帶顏色油墨液滴封裝於顯示畫素的上下兩個電極間，當電極未加電壓時，油墨液滴與疏水介電層是潤濕狀態，如圖3(a)左側。反之，當電極通入電壓時，油墨液滴的接觸角變大，呈現如圖3(a)右側現象。由圖3(b)的上視圖可以瞭解其顯示作動情形。相同的技術亦被應用在液體透鏡中，1995年Gorman等人首先利用電潤濕調控液滴形狀，來達到液體透鏡變焦的目的[4]。圖4為液體透鏡變焦原理及結構示意圖。

圖4、液體透鏡變焦原理及結構示意圖。

而電泳動現象是指溶液中的帶電粒子受到電場的作用，使得溶液中帶正電粒子往負極移動，帶負電的粒子會朝正極移動的現象，如圖5。利用此特性，可以用來分離不同帶電粒子。

圖5、電泳動示意圖。

圖6、電滲流示意圖。

 

電滲流的原理近似電泳動，但電滲流是藉由極化流體介質使其受電場作用。電滲流的產生，起因於流體通道一般採用矽基材質，因此管壁易因氧化矽水解產生帶負電現象。為了平衡電性，溶液便被極化成帶正電流體。此帶正電的流體受到電場的作用便會往負極移動，因而形成電滲流，如圖6。

圖7、光學鑷子原理示意圖。

光學鑷子是由科學家Ashkin於1969年在測量光壓時發現[5]。其基本概念則是將一道雷射光束經透鏡聚焦後，在雷射聚焦處形成一穩定的位能井。於是，在此焦點周圍的微粒子就會被吸引到焦點，而達到捕捉與操控的目的。我們可利用簡單的幾何光學與動量變化產生力的概念來解釋光學鑷子的工作原理。當光線由一介質中進入到另一不同介質中時，光會發生偏折的現象，也就是所謂的折射。如果將光線想像成是由光子所組成，當光線發生偏折時，光子的動量即產生改變，而動量改變即反應有作用力的存在。所以當雷射光經過微粒子後發生偏折，相當於微粒子對雷射光子施一作用力使之偏折。又由牛頓第三運動定律所描述之作用力與反作用力的關係知道，雷射光子亦對微粒子施一反作用力，而這些反作用力的合力便是光學鑷子的捕捉力，如圖7。 

此技術的特點在於對微小的粒子，亦可進行非接觸式的捕捉及移動。此種非侵入式的微滴操作方法，還包括前述的電潤濕、電泳動、電滲流等技術。這些技術具有不會污染生物體，且對生物體的傷害可降至最低，以及不會破壞生物活性等特性。因此，廣泛的應用於生物科技領域。但光學鑷子需要高數值孔徑物鏡，以方便聚焦雷射光束使其對粒子產生吸引力。而過短的工作距離（焦距短）限制了其應用範圍，操作範圍小也減少了可操控的細胞數目。此外，為了增加細胞捕捉的能力，其需要大約1×10⁶ W/cm²的高功率雷射。但生物樣本則易因此受其光與熱的能量傷害。至於電潤濕、電泳動及電滲流，則需藉由固定金屬電極產生非均勻電場，來極化欲操控之細胞或粒子，再以電潤濕、電泳動或電滲流的方式，進行粒子方向控制與移動。儘管非均勻電場操控系統可由微機電技術簡單達成，但其固定電極的設計方式也使得動態操作上大大受限。另外，為了提高電泳動的分離效率或電滲流的流動速率，往往需要提高電極間的電壓。但過大的電壓，會導致電極產生焦耳熱，亦會對樣品產生不良影響。

為了改善這些非侵入式操控技術的限制，以提昇其在生物科技的應用方便性。新型的光電滲流及光電鑷子已陸續被提出，並針對前述的限制提出解決之道。本文後續將針對電潤濕技術在電子紙顯示器與液體變焦透鏡的應用、以及新型光電滲流與光電鑷子之技術，作更深入的說明。