基于新型3D電極的介電泳微粒分離微流控芯片分析

張正濤 何瑋琪

摘 要：在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、生化分析以及疾病診斷等領域，微粒分離發(fā)揮著非常重要的作用。而其中，針對微流控芯片采用介電泳分離技術，與色譜分析法、離心法以及熒光篩選法等傳統(tǒng)技術相比，以容易集成、消耗樣片量少、較短時間分析等優(yōu)勢，在微粒分離方面，已成為新興手段。

關鍵詞：微粒分離；3D電極；微流控芯片

常規(guī)情況下的介電泳分離，因電極與PDMS結構難以實現(xiàn)封裝，介電泳技術將芯片分離的集成化發(fā)展也因此受阻。針對此，筆者在易于封裝的新型電極的基礎上，簡單對介電泳分離微粒的原理作了分析，并在3D微電極陣列的基礎上架構了微粒的分離系統(tǒng)。

1 在微流控分離的芯片中如何進行微粒分離

1.1 基于微粒尺寸進行分離

如圖1所示，假設淺色和深色的微粒半徑不同，淺色半徑稍大。首先，不同微粒的混合液從A支路進入主通道，緩沖液從支路B進入。由于主通道內(nèi)懸浮液流速小于緩沖液流速，淺色與深色的微粒在主通道內(nèi)便在緩沖液的壓迫下移向通道的下側。電極上無電信號，微粒便隨混合液從D支路流出；有電信號時，三維交流電場會在主通道內(nèi)產(chǎn)生，微粒進入電場后，在負介電泳力的影響下，粒子便會偏轉，且偏轉方向靠近y軸正方向。由于該力強度與微粒體積大小成正比，因此淺色微粒受力更大、偏轉更明顯。當偏轉使其移動進入上半部分層流，微粒會從C支路流出；深色的顆粒因體積較小，仍然在下半部分層流，便從D流出。這樣，分離便得以實現(xiàn)。

1.2 依據(jù)顆粒介電性質(zhì)進行分離

假設圖中深色粒子受正介電泳作用，淺色粒子受負介電泳作用。當無電信號時，二者均從D支路流出；但是，當有電信號時，淺色粒子因負介電泳力的影響遠離電極，深色則靠近電極。電信號達到一定強度時，C支路會流出淺色粒子，此時，深色粒子有兩種可能性：從D支路流出，或被吸到電極上。若是后者，電信號被去掉后仍然會從D流出，對分離沒有任何影響。

2 針對微粒分離微流控芯片的設計

據(jù)微粒的分離原理，不同粒子在不均勻電場中所受介電泳力不同，運動軌跡也因此不同，從而實現(xiàn)粒子的分離。因此，設計微流控芯片，要力求以下幾點：分離過程連續(xù)；非均勻電場中通道的方向和高度統(tǒng)一；密封良好不致流體泄露；便于觀察。

基于上述條件，一種3D電極的、結構有三層的分離芯片應運而生。其電極為AgPDMS導電材料，其中，頂層為PDMS通道，中間層為3D電極，底層為ITO基底層。芯片整體長90毫米，寬60毫米。主通道通過支路與4個溶液池相連，溶液池的圓孔直徑7毫米。主通道側壁有3D電極，其高度等同于通道的高度，這可以有效地保證在通道的方向上、高度上，電場一致。

該芯片的結構中，ITO玻璃在經(jīng)過刻蝕后，形成基底層。ITO玻璃，表面沉積著氧化銦錫，氧化銦錫會受刻蝕劑作用溶解。在光刻技術的處理下，ITO被刻蝕形成導線，對3D電極與外部信號源進行連接。中間層即3D電極層，其底端和ITO導線連接，將ITO導線傳遞的電信號在接受后施加于主通道，使主通道內(nèi)部有不均勻電場形成。為確保分離芯片有足夠好的密封度，3D電極的側面及頂端，都和PDMS完美鍵合。

3 制作和封裝微粒分離芯片

不同于傳統(tǒng)的、在二維電極下進行的微流控芯片的加工，該芯片在加工時，各層芯片的連接和制作三維電極是保證其符合設計要求的重要因素。加工時，ITO導線的制作、3D電極的制作以及PDMS通道的制作，要經(jīng)歷三次光刻，每次光刻使用不同掩膜。為保證每層中元件位置，每次進行加工，務必將掩膜對準。掩膜對準的程度與芯片質(zhì)量密切相關，為確保每層間連接良好，采用了化學鍵合、熱鍵合兩種方式進行連接。在PDMS通道與基底和3D電極的鍵合中，使用化學鍵合；在ITO導線和3D電極的鍵合中，應用熱鍵合。

分離芯片有著如下加工流程：加工ITO基底層；制備3D電極；制作PDMS通道和每層的對準、裝配。

該芯片封裝前，主要包括有3D電極的ITO基底和PDMS通道兩部分。所謂封裝，即對齊二者并鍵合到一起。其主要操作過程如下：首先進行等離子處理，即把PDMS通道和有3D電極的ITO基底放入等離子機腔室，并使其正面朝上，進行抽真空處理，使其位于真空環(huán)境內(nèi)。然后，進行對準，在基底的電極處，使用移液器滴注一滴純凈水，通過純凈水的潤滑作用，使得未對準時通道與ITO基底不致于鍵合。在工作臺上進行目測對準后，放入顯微鏡下，進行微調(diào)。最后，進行鍵合。對準后把芯片放入真空釜，使基底與PDMS通道鍵合。再將芯片在80度左右的恒溫箱內(nèi)放置30分鐘，使鍵合效果加強。

4 研究關于微粒分離微流控芯片的實驗

作者選取了直徑為4μm和12μm的微粒進行分離實驗。分離不同顆粒時，獲得使顆粒分離的臨界電壓至關重要。所謂臨界電壓，既保證一種粒子能夠在下側支路流出，而另一種粒子則在上側支路上流出的電壓值。分離時，首先從入口A將兩種粒子混合液通入主通道內(nèi)，然后從入口B處通入緩沖液，在緩沖液的壓迫下粒子運動方向沿著通道下側，直至從D處流出。待微通道內(nèi)，流體的流速趨于穩(wěn)定，在3D電極處施加電信號，觀察微粒運動狀態(tài)。當電壓低于48V時，兩種粒子都有偏轉，12μmPS粒子偏移量比4μmPS粒子要大一些。但是經(jīng)過觀察，兩種粒子仍然都從D處流出，表明電壓不足分離臨界值。當電壓達到48V時，可以明顯看到粒子偏轉幅度較大，4μmPS粒子從支路下側的D處流出，12μmPS粒子從支路上側C處流出，說明48V是臨界電壓。如果電壓繼續(xù)增大，粒子偏移也會接著增大，當電壓值達到72V時，12μmPS粒子從支路上側流出，大部分4μmPS粒子從支路下側流出，但是有部分流到了上側。這說明實際電壓大于臨界電壓時分離效果并不好。

5 結束語

作者根據(jù)自身掌握的微流控芯片技術，并結合交流電場中，中性粒子的介電泳現(xiàn)象，對微流控下的微粒分離芯片進行了制作，使得不同微粒得以分離。

參考文獻

[1]賈延凱.基于新型3D電極的介電泳微粒分離微流控芯片研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2014.

[2]朱洪武.絲網(wǎng)印刷法制備微流控介電泳芯片的應用基礎研究[D].華南理工大學，2013.

[3]張洋.生物細胞介電電泳運動控制機理及細胞排列生物芯片的研究[D].中北大學，2015.

[4]梅哲.基于微流控芯片的細胞檢測、分類和分選若干技術研究[D].北京理工大學，2015.

[5]郭倩.基于熒光納米標記與介電泳技術的細胞體系檢測研究[D].湖南大學，2011.