電化學數位流體晶片
生醫實驗室晶片
隨著科技發達與人們越來越重視自身健康的趨勢，運用高科技於生物醫療研究，已成為目前研發主流，並且可望為生物科技帶來全面性的發展，推動 21 世紀新一波的產業革命。1989 年德國的 Manz 教授提出微全程分析系統 (micro total analysis system, µ-TAS) 概念，其目的是將實驗室複雜的分析流程，運用微機電技術，整合在數公分大小的晶片上，又稱為實驗室晶片 (lab-on-chip)。傳統的生醫實驗是屬於勞力密集的工作，科學家在實驗室裡面用試管、滴定管進行各樣生化反應，其主要的工作是控制試劑的傳送、試劑與檢體的混合，並且等待足夠時間進行反應或者分離萃取。較具規模的實驗室已使用機械手臂來進行這些反應的工作，節省了許多人力，並且較精準的控制反應量，但是成本高，攜帶不便，使用上有其侷限性。
實驗室晶片則受惠於近年來微機電技術之進展，將實驗室中的儀器微小化並製作在晶片上，使晶片具有生化反應、分離與偵測等功能。為了達到整合的效果，實驗室晶片上必須包含複雜的元件，其製作技術複雜，但是對使用者而言卻是相對簡單，使用者只要將檢體直接注入晶片當中，即可自動執行實驗的流程，迅速得到結果。研究指出實驗室晶片被認為是近代生物科技的革命性發展，特別是生醫、化學及環境等相關領域，其衝擊猶如 IC 在電子資訊界所產生之產業革命。
在微流體實驗室晶片的應用中，液珠成為越來越受矚目的工作流體，因具有用量精簡、反應快速及不易沾附於疏水表面造成污染等優勢，相較於微流道中之連續流體，操控的技術上更不需要切換的閥門及幫浦 (pump) 等可動元件。因此近年來，大量關於液珠行為之研究陸續發表，各種型式之液珠操控系統亦應運而出，如利用電濕潤 (electrowetting on dielectric, EWOD)、可變結構及傾斜試片等方式，可於特定角度與熱梯度場驅動。
電潤濕數位流體晶片
利用電濕潤原理發展之數位流體式生醫檢測晶片具有多工平行處理及高度程序控制能力等優點。本中心與清大楊鏡堂教授合作開發完成的電潤濕數位流體晶片作為生醫檢測平台，提供高效率的增進液珠混合方法，可加快檢測流程。此平台不僅適用於生物醫學檢測，更可應用於食品、環境等各方面的檢測。此晶片是利用微影製程技術在玻璃晶片上進行鍍膜與蝕刻製程，製作出長寬各為 1.5 mm、間距為 100 µm 的微小電極，並利用高分子阻劑 SU-8 作為晶片上之絕緣層，以防止電流通過液珠，並在表面做疏水處理。
本中心在數位流體晶片的研究基礎上，開創可同時檢驗多項血液生化指標的生化儀。在生化檢測為主的醫院臨床實驗室內，為應付即時且大量的生化檢驗工作，通常都需配備數台生化檢驗儀，每台儀器均得處理數十至近百等不同檢驗項目，因此如何即時快速且正確無誤地得到每種檢驗結果報告，有賴於生化儀器同步而多功能的運作。
藉由數位流體可同時操控多顆液珠獨立運動的特性，本中心所開發的多功能生化儀具有快速反應、方便攜帶、節省試劑、同步多工而售價相對便宜之優點。此多功能生化儀可檢測包括三酸甘油脂 (triglyceride)、總膽固醇 (total cholesterol)、高密度脂蛋白膽固醇 (high density lipoprotein cholesterol, HDL-C) 與低密度脂蛋白膽固醇 (low density lipoprotein cholesterol, LDL-C)、保健食品中兒茶素 (catechines) 之多酚類與分析 DMPD 自由基消除試驗，用於心血管生化指標檢驗、茶抗氧化分析之檢測及自由基消除試驗等均獲成功驗證。
電化學數位流體晶片
圖一、氧化.酵素反應產生過氧化氫之機制
上述的檢測皆是以呈色吸收光學系統進行分析，為達成多功能生化儀的廣泛應用及降低其生產成本與體積，本中心已進行電化學檢驗模式的整合。
電化學分析模式可採安培法、電位法或循環伏安法等，其中又以安培法偵測模式所得之訊號較為靈敏且易實現儀器微小化的要求，且數位流體之檢測體積只有微升的體積量 (µL)，以較靈敏的電化學安培法作為檢測模式相較於光學檢測模式是相當有利基的。研究方式選定以安培法作為電化學分析模式後，決定以過氧化氫作為分析樣品，其原因是在流體晶片上若能順利分析過氧化氫，便能衍生分析許多與氧化.酵素相關的反應 (如圖一)，除上述提及的總膽固醇、高密度脂蛋白膽固醇與低密度脂蛋白膽固醇，還可分析血糖與許多臨床尚須檢測的項目。以血糖的反應為例，血液中的葡萄糖經葡萄糖氧化.氧化，並伴隨氧氣還原的反應而產生過氧化氫，此時檢測過氧化氫的生成量即可定量出血液中的葡萄糖含量，而其他氧化.酵素的反應也是如此，因此可知準確分析過氧化氫的重要性了。
血液樣品中所含的干擾物很多，除利用酵素來提升反應的辨識選擇性外，還需有效降低偵測過氧化氫還原時所需的施加電位，一般可使用修飾催化劑的方式來解決，研究中先以修飾普魯士藍做催化劑來驗證電化學數位流體晶片的可行性，主要原因是其修飾的方法簡單且其穩定性不錯。修飾完成的數位流體晶片以電化學伏安法來確定其修飾結果如圖二所示，明顯的兩對峰為普魯士藍典型的伏安圖，可證實電化學數位流體晶片已成功的修飾普魯士藍。接下來在此數位流體晶片上利用時間－安培法 (chrono-amperometry) 來分析不同濃度的過氧化氫，在 −0.2 V 的電位下 (如圖三)，可分辨不同濃度的過氧化氫，也代表電化學與數位流體晶片的整合是相當順利的。
圖二、普魯士藍修飾晶片之氧化還原電流訊號
圖三、數位流體晶片之過氧化氫濃度檢測
結論
微型生醫實驗室晶片的快速發展有美好的遠景，未來的生醫檢驗將藉由流體晶片提供更準確、更快速與便利的功能。數位微流體式晶片是實驗室晶片邁入實用化的重要里程碑，本中心結合學界能量投入此領域研究多年，已有六項相關專利，目前正以相關技術研發多功能生化檢測儀器，在電化學數位流體晶片的整合成功後，將持續開發各種應用領域，使多功能生化檢測儀進入更為普及與實用的階段。
