本研究以優化光纖式光鑷夾系統之光捕捉效率為目的，並尋求最佳系統參數，以利捕捉人類大腸直腸癌細胞株(SW480)。本研究分為四個階段：第一階段優化濕式化學蝕刻法製程，以研製出最適之圓錐體光纖微透鏡。本階段共完成4支圓錐體光纖微透鏡，並分別搭配低成本之紅光雷射作為捕捉光源，以組成光纖式光鑷夾系統。第二階段使用軟體建模且模擬，分別對光鑷夾系統之工作距離、圓錐體光纖微透鏡之直徑、錐角及蝕刻長度等參數進行光束追跡模擬。第三階段分別使用前述4組光鑷夾系統捕捉塑膠微粒，由實驗結果得知，當光鑷夾系統中緩衝溶液為DI water、捕捉功率為14 mW、工作傾角為40˚、工作距離為14.4 μm、圓錐體光纖微透鏡之直徑為14 μm、且錐角為105˚及蝕刻長度為0.7 mm時，光鑷夾系統之最佳捕捉效率為14.05%。在第四階段分別使用前述4組光鑷夾系統捕捉人類大腸直腸癌細胞株，由實驗結果得知，當光鑷夾系統之捕捉功率為20 mW、工作傾角為60˚、工作距離為14.4 μm、圓錐體光纖微透鏡之直徑為14 μm、且錐角為110˚及蝕刻長度0.7 mm時，捕捉SW480之實驗結果有較高之精確度。因此，光纖式光鑷夾系統可以低成本紅光雷射作為捕捉大腸直腸癌細胞之光源。

In this study, the trapping efficiency of the proposed fiber-based optical tweezer system is optimized. The optimized system is suitable for trapping colorectal adenocarcinoma cells (SW480). There are four phases in this study. In the first phase, we optimized the wet chemical etching process for fabricating the cone-shaped fiber microlenses. In this phase, four cone-shaped fiber microlenses with various specifications are made, and a low-cost red laser is employed as light sourse of the system. In the second phase, two professional softwares are used to conduct the beam tracing simulation for effects on the variation of the working distance of the system, the diameter, the cone angle, and the etching length of the microlens. In the third phase, four optical tweezer systems are assembled sequentially to trap polystyrene particles. According to the experimental results, the best trapping efficiency measured from the proposed optical tweezer system is 14.05%. In this case, DI water is used as the buffer solution. The trapping power is set to be 14 mW. The working distance is found to be 14.4 μm, the diameter of the microlens is 14 μm, and the cone angle of the microlens is 105˚. The etching length of the microlens is 0.7 mm. In the fourth phase, the above-mentioned four optical tweezer systems are used sequentially to trap the colorectal adenocarcinoma cells. The experimental results with the best precision occurs when the trap power is 20 mW, the working distance is 14.4 μm, the inclination angle is 60˚, the diameter of the microlens is 14 μm, the cone angle of the microlens is 110˚, and the etching length of the microlens is 0.7 mm. Therefore, a low-cost red laser can be used as a light source in the fiber-based tweezer system for trapping colorectal adenocarcinoma cells.

中文摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XIII
第1章 光鑷夾緒論 1
1.1 光鑷夾重要發展史 1
1.2 光鑷夾生醫應用 6
1.3 本實驗室光鑷夾研究及統整 14
1.4 研究動機 34
1.5 論文架構 35
第2章 光鑷夾研究方法 36
2.1 研究架構 36
2.2 光捕捉原理 40
2.2.1 工作距離計算 47
2.2.2 逃脫速度量測 48
2.2.3 捕捉力與捕捉效率測定 50
2.2.4 黏滯係數與折射率量測 51
2.2.5 光纖微透鏡內部模態數 52
2.3 自製光鑷夾系統組裝 53
2.4 光纖微透鏡製程 59
2.4.1 濕式化學蝕刻法 61
2.4.2 圓錐體光纖微透鏡 62
2.4.3 光纖微透鏡優化 64
2.4.4 實驗室設備建置 67
第3章 模擬光捕捉情形 70
3.1 模擬軟體 70
3.1.1 Solidworks建模 70
3.1.2 TracePro光學模擬 71
3.2 光鑷夾系統之捕捉功率之影響 75
3.3 光鑷夾系統之工作距離之影響 77
3.4 圓錐體光纖微透鏡之錐角之影響 78
3.5 圓錐體光纖微透鏡之直徑之影響 80
3.6 圓錐體光纖微透鏡之蝕刻長度之影響 82
第4章 光鑷夾捕捉塑膠微粒 84
4.1 本實驗室近年研究光鑷夾捕捉塑膠微粒之計算 86
4.1.1 民國105年資料 86
4.1.2 民國106年資料 87
4.1.3 民國107年資料 94
4.2 光鑷夾系統之捕捉功率對捕捉效率之影響 98
4.2.1 在各種捕捉功率下之實驗結果 99
4.2.2 分析與討論 100
4.3 緩衝溶液為1% X-100對光鑷夾實驗之影響 101
4.3.1 捕捉功率為7 mW及14 mW之實驗結果 102
4.3.2 分析與討論 103
4.4 光鑷夾系統之工作距離對捕捉效率之影響 104
4.4.1 不同工作距離之實驗結果 105
4.4.2 分析與討論 106
4.5 圓錐體光纖微透鏡之錐角對捕捉效率之影響 107
4.5.1 錐角為110°之實驗結果 107
4.5.2 分析與討論 108
4.6 圓錐體光纖微透鏡之直徑對捕捉效率之影響 109
4.6.1 直徑為18 μm之實驗結果 109
4.6.2 分析與討論 110
4.7 光鑷夾系統之工作傾角對捕捉效率之影響 111
4.7.1 工作傾角為40°、50°、60°之實驗結果 113
4.7.2 分析與討論 114
4.8 圓錐體光纖微透鏡之蝕刻長度對捕捉效率之影響 115
4.8.1 光纖蝕刻長度為0.7 mm之實驗結果 116
4.8.2 分析與討論 116
第5章 光鑷夾捕捉人類第二期大腸直腸癌細胞株 118
5.1 光鑷夾系統之捕捉功率對捕捉SW480之影響 120
5.1.1 捕捉功率設為14 mW、20 mW之實驗結果 121
5.1.2 分析與討論 122
5.2 光鑷夾系統之工作距離對捕捉SW480之影響 125
5.2.1 不同工作距離之實驗結果 125
5.2.2 分析與討論 126
5.3 圓錐體光纖微透鏡之錐角對捕捉SW480之影響 129
5.3.1 錐角為110°之實驗結果 130
5.3.2 分析與討論 130
5.4 圓錐體光纖微透鏡之直徑對捕捉SW480之影響 133
5.4.1 直徑為18 μm之實驗結果 133
5.4.2 分析與討論 134
5.5 光鑷夾系統之工作傾角對捕捉SW480之影響 137
5.5.1 工作傾角之實驗結果 137
5.5.2 分析與討論 138
5.6 圓錐體光纖微透鏡之蝕刻長度對捕捉SW480之影響 139
5.6.1 光纖蝕刻長度為0.7 mm之實驗結果 140
5.6.2 分析與討論 140
第6章 結論與未來工作 144
參考文獻 146
附錄 150
簡歷表 176

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