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1、微流髅榇翠技衍回麒舆展望 蕴篮塞1 1 施孕兢2 1 工棠技衍研究院量测技衍致展中心组畏 2 工棠技z - “ ，羽I 中心研究员 * E - m a i l j i u n n h a u r s h a w i t r i o r g t w 霓话：+ 8 8 6 - 3 5 7 3 2 2 9 3 摘要：近年东微横鼋、生臀、奈米、替代能源等新典研究领域日益受到重视，在遣些领域 中微流髓技衍( m i c r o f l u i d i c s ) 皆扮演网键技衍的角色。将流髓微量化可加速反虑速率、溅少 桧髓舆试剂用量、降低操作舆裂造成本，具有多锺傻黠。然而在歌展微流髓技衍的诸多技 衍要黠
2、富中，榆测舆定量技衍扮演栖其网键、不可或缺的角色。 回顾遇去残年量测中心流量寅验室驶展微流髓技衔的通程，早期由鼗展先适微流髓榆 测技衍闼始，2 0 0 1 年起阴袋m i c r oP I V 微流道流速量测技衍，将微流道内流埸流速状您可视 化，解析度高逵ll a m ，流速量测箍圉在0 lm s 。2 0 0 3 年之後造一步利用全像光孥原理骇展 3 DP I V 榆测系统，可桧测髓横捣5 0 0l a mX5 0 0p mx5 0I J m ，在世界上3 DP I V 领域居於领先 地位。除了榆测系统以外，2 0 0 4 年闲始建立微流量量测确重檩犟，流率乾圉 跫0 1l a L m i
3、n 至 1 0m L m i n ，攘充不罐定度小於3 。2 0 0 5 年著手阴骚髓横法微流量量测工作檩犟技衍，可 量测低至1 0n L m i n 之微小流量。同年亦展阴以光度法弱基磁的单剂量量测檩辈技衍之枰估 舆建立，可量测低至1 0l l L 的分注髓横量，掳充不碓定度目檩捣小於5 。此外，本寅验室 自2 0 0 5 年起造行“敷位微流髓”舆“表面鼋浆共振”雨项虑用於生臀领域的前瞻微流髓技 衍髑强工作，於本文中将一饼介绍。流量寅验室喾弑将先造的光橇鼋整合技衍虑用於微流 髓流埸速度桧测舆微流量定量工作，经遇敷年的耕耘，在遣雨倜领域已有不少成果封外骚 表。今後将更遥一步明展前瞻微流髓虑用技
4、衍，期待在德固的静量技衍以外，封麈檠界的 技衍提异亦能有所贡献。 翻键字。 微流髓技衍、P I V 、稻重法、光度法、敷位微流髓、表面鼋浆共振 一、前言 近年柬微横鼋( M E M S ) 、生臀、奈米、替代能源等新具研究领域日益受到重视，而在遣 些领域中微流髓技衍( m i c r o f l u i d i c s ) 皆扮演网键技衍的角色。将流髓微量化的傻黠是可加速 反虑速率、溅少榆髓舆弑剖用量、降低操作舆裂造成本。然而在骚展微流髓技衍的褚多技 衍要黠宫中，量测舆计量技衍扮演桎其网键、不可或缺的角色。量测中心流量寅黢室在遇 去裳年徙P I V 出锈陵绩阴钕多檀微流髓量测舆卦量技锦本文将封
5、各檀技衍做简要介怨 二、微粒子影像流速僦( P I V ) P I V 是一獯可将微流髓速度埸祝觅化的技钭彳。由於微流道以半尊髓技衔袋作，寅陈上完 成的流道舆理想状憋往往存在著差具。而P I V 可觐察流髓的流速埸状憋，一方面可验遗流 道设计参敷是否合乎预期，另一方面可同接推测流道是否有缺陷瑕疵，是一獯榆测微流道 品耍舆是否能逵到毅针目檩的榆测工具，受到研究者的重视。 敷位摄影横( C C Dc a m e r a ) 装上颞微镜，撷取微流道内的微粒子影像，再加上高速冈光的 配合，段定好捅像畴同差，针算前後甏绿於雹膦内同一倜微粒子影像同的距雕差翼，再以 距滩除以畴同，即可得到罩一微粒子逼勤速度
6、。而综合分析大量粒子，则可得到流髓速度 埸。 2 9 0 由於粒子在流道内的暹勤速度可能很快，需要能将流髓粒子逢勤的影像凝固下柬，而 C C D 相橇的取像率一般在3 0 - - 1 2 0f p s 之同，也就是能抓取3 3 8m s 的影像，若要量测j 里勤 速度更快的粒子，剐必须配合高亮度的高速冈光装置，以逵到照明充分舆凝固影像的效果。 服衙雷射( p u l s e dl a s e r ) 能在栖短的畴阔内，将高亮度的雷射能量释放出东，是一檀非常合遮 的闪光光源，早期的舆现有的高陷P I V 系统大多敷都探用胍衡雷射鹅光源。 碓勰雨眼撷取影像中穗同一倜粒子是封算流速的网键，探用缌髓交
7、互相网法 ( c o n v o l u t i o n ) 静算前後雨碾影像中粒子的网连性，取出网膦性高的粒子针算走遇的距雒。封 算式兄方程式( 1 ) 。 R ( s ) = l I l ( x ) t 2 ( x + s ) d X = ( s ) + ( s ) + 辟( s ) ( 1 ) 其中I l ( x ) ：第一鞭影像的光强函敷，I i ( x ) ：第二碾影像的光强函敷，X = ( x ，y ) ，R c ：背 景相阴值，R F ：背景稚飘攫勤，R D ：位移相嗣值。 本寅验室阴骚的P I V 技衍分鹅雨佃版本。第一侗版本探用C W 雷射配合s h u t t e r 的方
8、 式虚生短的光服街，C C D 探用i n t e r l i n eC C D ，此版本舆胍衡雷射式P W 比较，规格上能 符合一般的使用需求，而裂造成本卸较低。第二佃版本探用的是阴光燔舆同步器的架横【l 】， 更造一步降低成本，羝需使用蛰光粒子即可量测。由於篇幅的限制，此虎馑展示第二版的 架耩( 圃二) 。 完成二维P I V 系统的弱赣後，遥一步研裴三维微粒子影像流速馐系毓，此系统以光孕 纪缘材料( C R O Pp h o t o p o l y m e r ) 配合混何多功全像衍( h y b r i dm u l t i p l e x i n gh o l o g r a p h
9、 y ) 架横，可 重建蓝芤缘微流道内的粒子分布状憋。雨解析影像内的流埸分布方法则探用的是P ua n d M e n g2 0 0 0 1 2 猿表的C C C 演算法。寅验结果颞示，本系统可成功量测微流道内三倜方向的 流速1 3 】。( 圆三、圆四) 三、微流量测稻重榇率 在M E M S 及生臀虑用中，除了微流道内流速的量测以外，微流量的针量也颞得非常重 要。凿操控流髓的量低至每分锺微升或奈升的等级，精拳的流髓针量不馑燮得困鞋，其误 差舆燮奚封结果所造成的影窖也更捣颢著。 流量研究室自2 0 0 4 年起即投入微流量测傈犟的翻骚，目前已建立酋套符合韶箍檩犟的 微流量量测系统【4 】【5
10、1 ，封外提供微流量针及液髓驻勤帮浦的校正服磅。微流量量测系统棘 魇於圜家度量衡檩犟寅黢室流量研究室，系统代码麴F l l ，其系统架礴舆寅髓照片如固五所 示。 系统僚利用壁力调箭器调整微流量管路上游的储液槽壁力舆大氟璧的差值，或由流髓 疆勤麓浦提供勤力，以辐勤液髓流入稻重桶内，探勤憋稻重法柬校正微流量针或流髓鹱勤 鬻浦。在温度、流率稳定後，除了就缘稻重桶内重量增加量及封虑的畴同以估算酋量流率 外，尚须量测水温，璜境温度、漯度及大氟璧力，以及用以褊正浮力及蒸霰效鹰之参考稻 重桶的耍量燮化等；利用遣些资飙造行水密度及空氯密度针算，蓝褊假控制容横内耍量之 燮化、稻重桶所受浮力燮化以及因蒸骚所造成的
11、耍量损失，以正碓打算出流缝微流量静或 由流髓骗勤簿浦所翰出之冒量流率或髓横流率。系统各项量测参敷鲍圉打定如下：耍量流 率：0 1m g m i n 至1 0 # r a i n ，髓横流率：0 IU f n j l l 至1 0m L m i n ，管路口径：l ，8 英时( 3 2 n u n ) 以下，温度：1 5 至2 7 ，龋勤差壁：lk P a 至6 0k P a ，工作流髓：纯水。 系统之量测不雅定度保参照I S OG U M 所提供的指引加以秤估；在9 5 信赖水犟下， 本系统於不同流率鲍圈之相封攘充不碓定度介於0 5 至3 0 之同，群列如下表一。 2 9 l 表一微流量量测系
12、统校正流率筢圉及其量测不碓定度 四、氟活塞微流翰送舆量测系统校正器 位管微流稻重楝犟系统能量已涵荔臀孥领域常用的低流率篼圉( 0 。lm L h 一1 0 0 m L h ) ，然稻重法受斡多外在瑕境的限制，如蒸欤、温漯度舆堕力燮化、静鼋等，封於生化、 奈米科技等虑用之更低流率的需求则鲣以满足。此外，稻重襟擎系统在孰行低流率量测峙 不馑黄畴，且不碴定度亦明颡提高。 缢於以上需求舆躅题，流量室翻鼗了一套“氛活塞微流输送舆最测系统校正器”【6 】，本 校正器之工作原理乃是揉用髓横式的穗行畴 1 d ( t i m e o f - f l i g h t ) 量测方法，颧似管式校正器 ( p i s
13、 t o np r o v e r ) 之工作原理，以氟髓代替寅醴活塞，蓝直接侦测氟液界面的移勤以泱定流率。 利用氟髓舆液髓介鼋保敷之差具所尊致的鼋容特性改燮，毅计雹路( 圊六) 以侦测孩界面通遇 鼋槌峙所虚生的雹位燮化。圃中的C 。代表流道中通遇不同流髓( 空氟、油、水等) 畴所封虑 的等效鼋容。 如圊七所示，富氟液界面通遇梭敷封鼋棰，业虚生相封虑的梭数佃侦测飙虢峙，便可 由飘虢废生的畴嗣差泱定流髓通遇孩梭敷封蓬棰固距所需的峙嗣t 。再配合已知的管道截 面横A ，以及雹桓圈距L ，即可根摅下式( 2 ) 针算得出流率Q 。其中1 1 鹚截面平均流速，V 耦鼋桓髑流道的有效髓横。 l，I7 ，
14、 a = A U = A 。，= ， ( 2 ) 液髓由衔接管路撙入量测装置的微流道，若流道的畏宽深经遇遍凿设计，监在其中引 入氟液界面使之随液髓於微流道中移勤，便可用於低而稳定的流率量测。此外，揉用多组 罨楹的毅射可於操作畴根摅待测流率的大小，藉由多工器( m u l t i p l e x e r ) 切换送用雨逋常同距 的工作鼋桎，如此便可接大兹微流量测装置的流率逋用筢国。表二鹚以针筒掣浦驱勤流髓 蓝祝羯棵犟流率，以此校正器寅测之流率最测误差。 5 0 1 0 0 0 l o - 1 0 0 1 - 1 0 O 1 一l O 0 l - 0 1 0 3 0 8 0 5 1 1 1 0 8
15、 表二氟活塞微流翰送舆量测系统校正器流率舆寅测误差 五、分注量檩犟( 光度法) 微量分注南留知的整合 生技衍，其魔泛地使用於化孥、生物、臀孥等领域的寅簸或生 庭袋造上。常兄微量分注侥具可大致分额鹅微量分注器( P i p e t t 洲p e t t o r ) 及微量分注系统 ( D i s p e n s i n gs y s t e m ) 。近年柬由於朝向微小化骚展的超势明颞，因此，微量分注的分注量也 日趣微小，由先前的微升到奈升等级再造而到皮升等级。但是，量测系统的袋展上御燕 法跟上此一步伐，遣尊致现有分注器或分注系统所宣稻的分注量舞法獾得有效罐韶或校 正，丽使用者馑能相信慌器所供稻
16、之状憋值，遣封微量分注使用上的犟碓性是存在有很大 的影警。 现有微量分注的量测方式，多探用稀重法，依掳I S O8 6 5 5 - 6 的规筢孰行，但是稻重法 依摅使用的量测天平犟碓度舆瑕境控制而有其量测棰限。相封地，I S O8 6 5 5 7 所提供的光 度法舆滴定法雨獯方式，由於可透遇使用较大的容器及鞍多的弑剖原料配裂檩犟溶液的方 式降低不碓定度，故有活力可使量测檀限得以向下延伸至更小的分注量。考虑到可行性、 寅用性舆可追溯性，流量寅黔室送定探用光度法的方式柬寅现微，奈升单剂量量测技衍。 量测方法乃是使用比率式光度法，其原理乃是植基於B e r - L a m b e r t 定律。承液瓶内装 有空白液，光度馐先量测空白液在光波畏如的吸收度，接著用分注器吸取一定量的檬本液 韭注入测弑瓶内，随後再用光度供测弑封光波畏九。的吸收度，此畴系统便可得出分注器所 分注之檬本液的髓稹量。使用本量测方法畴，分注髓稹量可由以下的公式射算而得： 巧= 巧 A A 盟一生 弓
