微流控芯片上高電導率介質中聚苯乙烯微球的動電分離

宋寧寧張昊李金波甄軍暉高 健*

1(齊魯工業大學化學系,濟南 250353)2(山東大學醫學院,濟南 250012)

微流控芯片上高電導率介質中聚苯乙烯微球的動電分離

宋寧寧1張昊1李金波1甄軍暉*2高 健*1

1(齊魯工業大學化學系,濟南 250353)2(山東大學醫學院,濟南 250012)

采用三層夾心式、三平行微電極設計制作了聚二甲基硅氧烷 (Polydimethylsiloxane,PDMS)/玻璃微流控芯片,通過交流電對在微流控芯片中的高電導率溶液施加電場,達到不同尺寸聚苯乙烯(Polystyrene,PS)微球分離的目的;探討了微球定向運動的動電學原理。結果表明,在電壓為14 V,頻率為100 kHz時,直徑為10和25 μm的PS微球分離效率最好;在電壓為10 V,頻率為2 MHz時,直徑為5和25 μm的PS微球分離效率最好;對于直徑分別為5、10和25 μm的3種PS微球分離,在電壓為11 V,頻率為1 MHz時,可以達到大球和另外兩種尺寸較小微球的快速有效分離,分離效率均可達90%以上。結果表明,相鄰電極中間位置層流區域的形成,對微球分離起到關鍵作用。

微流控芯片;動電技術;高電導率;聚苯乙烯微球

1 引 言

交流電場通過微電極作用在微流體或帶電微粒子上,使它們產生多種動電特性[1～3],除介電泳(Dielectrophoresis,DEP)[4,5]外,還包括電泳(Electrophoresis,EP)[6,7]、電滲(Electroosmosis,EO)[8,9]、電熱流(AC electrothermal flow,ACEF)[10,11]等。動電作用是操縱微尺度目標的最有效的方法之一,前人對動電力操控微納尺度生物目標的研究主要集中在低電導率溶液中的介電泳力[12～14]。然而大多數生理體液的電導率較高(～1 S/m),常需要對樣品進行預處理,調節電導率至較低水平(～0.01 S/m)。這樣做有可能造成目標細胞的損失或稀釋,降低檢測靈敏度;同時也難以發揮其它動電作用的特點,限制了方法的使用范圍。在高電導率介質中研究多種動電力對不同尺寸微目標的作用規律,對于最終實現實際生物樣品的高效動電操縱具有重要意義。由介電泳受力方程可知[2,15]:

其中,a為粒子半徑,εm為流體介質的介電常數,Re(fCM)為CM因子的實部,E為電場強度,εp為粒子的介電常數,σ為電導率,ω為電場頻率。

Re(fCM)是決定DEP力大小的因素之一,它表示在不同頻率的電場下粒子和懸浮溶液的介電特性。當Re(fCM)＞0時,微粒的極化作用大于溶液極化作用,從而使微粒聚集在電場的極大值處(靠近電極區域),這樣的現象稱為正介電泳現象;反之,為負介電泳現象[16,17]。由方程(2)和(3)可知,當溶液電導率＞100 mS/m時,Re(fCM)為負值[15],因此,高電導率介質中主要表現為負介電泳。此外,研究發現,在高電導率溶液中,多種動電力同時存在且共同發揮作用。一般認為,ACEF是一種遠程作用力,可夾帶離電極較遠處的微粒;而EP、DEP是近程作用力,對于電極附近的微粒作用比較強[18,19]。理論上,上述動電特性在不同溶液中以及對不同種類微粒的作用效果都有差異[3]。利用這些差異,可實現對不同尺寸微目標的有效分離和捕獲。

目前,還未見針對高電導率溶液中分離不同尺寸微粒的系統研究。由于單分散聚苯乙烯(Polystyrene,PS)微球的密度以及多種尺寸規格均與細胞接近,可作為不同種類、不同大小的細胞替代物或模擬物。本研究采用多種尺寸的單分散PS微球為研究對象,在流體靜態條件下系統研究了DEP、EP與ACEF相結合的混合動電技術分離多尺寸微球的電場條件和動電學原理,為實際樣品的分離捕獲提供理論基礎。實驗在高電導率條件下進行,常用的Au-Cr微電極難以適應高電導率環境,在實驗條件下容易被電解脫落,使用改進的Ti-Au-Ti三層夾心式微電極[18,19],能夠在高電導率溶液中以及實驗條件下(＜20 V,AC)長期穩定工作。聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)基的微流控芯片則具有制備方便、牢固耐用等優點。將PS微球均勻分散在10×TAE緩沖溶液(～1.59 S/m)中,以PDMS/玻璃微流控芯片為操作平臺,利用混合動電作用實現不同尺寸PS微球的分離。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

XD-101倒置顯微鏡(南京江南永新光學有限公司);EC300 CCD(濟南強勝光電儀器有限公司); SDG1020函數波形發生器(深圳鼎陽科技有限公司);PDC-32G等離子清洗儀(美國Harrick Plasma公司)。單分散PS微球(5、10和25 μm,Micromod,GER);TAE緩沖溶液(美國Sigma公司)。

2.2 微流控芯片的制備

利用平版印刷術和電子束物理氣相沉積法(EB-PVD)在載玻片上制備了三層夾心式(Ti-Au-Ti)微電極。其尺寸為:電極長度2.5 mm,上下電極寬度100 μm,中心電極寬度50 μm,Ti-Au-Ti層均為30 nm,相鄰電極間隙寬度為125 μm。將制備好微通道(寬度為500 μm)的PDMS基片與沉積好微電極的玻璃基片表面進行等離子清洗,然后迅速粘合,即制成PDMS/玻璃微流控芯片(圖1a)。

圖1 (a)微流控芯片示意圖;(b)混合動電原理圖Fig.1 Schematic diagrams of microfluidic chip(a)and hybrid electrokinetic(b)

3 結果與討論

3.1 芯片上的微球分離

如前所述,高電導率溶液中Re(fCM)＜0,各尺寸微球均受到負介電泳力作用,被推向場強較弱的區域;電熱流則會導致流體在電極上方做環狀流動[20];實驗還發現,施加一定的直流偏壓后,微球的移動速度增大,這說明混合動電中存在EP,且EP可以增強混合動電的作用效果。因此,ACEF、DEP和EP同時存在且共同發揮作用。施加電場后,在電極附近的5和10 μm微球被ACEF、DEP和EP共同推至遠離電極區域。由圖1b可見,相鄰的一對平行電極上方均有ACEF作用引起的流體流動,且方向相反;而在相鄰電極的中間位置則存在一個ACEF相對較弱甚至無作用的層流區域(一定電壓范圍內,圖1b中虛線框所示)。5和10 μm微球進入該區域后,因尺寸較小,易停留在該區域內,無法被ACEF夾帶出去,同時它們也會受到來自另一方電極的ACEF、DEP和EP的作用,3種動電力協同作用使它們在電極間隙中心線區域達到受力平衡而聚集在該區域(圖2c和2f)。相同條件下,在電極附近的25 μm微球也受ACEF、DEP和EP共同作用被推離電極。但因其尺寸較大,不易停留在層流區域內,在離電極較遠處的25 μm微球被遠程作用力ACEF夾帶逐漸向中心電極靠近。當微球進入到近程作用力DEP、EP主要作用區域后,因受到DEP,EP的推離電極的力逐漸增強,微球速度逐漸減慢,最終DEP,EP與ACEF達到力平衡,將25 μm微球捕獲在中心電極的中心線上(圖2c和2f,因電極遮擋故不可見)。對預先混合的10和25 μm微球進行分離,圖2a～2c顯示,在施加電場15 s后,基本可以實現兩種微球的分離。同樣,通過對預先混合的5、10和25 μm的3種微球進行分離實驗可以得到類似的結果(圖2d～2f),僅需18 s左右即可達到分離。從圖2可見,除個別25 μm微球沉底貼壁無法移動外,絕大多數微球均可定向移動,多次實驗統計結果得出分離效率大于90%。

圖2 (a～c)10和25 μm PS微球隨時間變化運動圖像。施加的電壓是14 Vp-p,頻率100 kHz,直流偏壓為0.3 V DC;(d～f)5,10和25 μm PS微球隨時間變化運動圖像。施加的電壓是11 Vp-p,頻率1 MHz,直流偏壓為1.0 V DCFig.2 (a-c)Time lapse images for visualizing the movement of 10 and 25 μm polystyrene microspheres. The applied voltage was 14 Vp-pat 100 kHz with 0.3 V DC offset;(d-f)Time lapse images for visualizing the movement of 5,10 and 25 μm polystyrene microspheres.The applied voltage was 11 Vp-pat 1 MHz with 1.0 V DC offset

由于實驗所討論的3種動電力的大小均與微球尺寸有關(FDEP～a3,FACEF～1/a3,FEP～a),因此,多種動電協同操縱微球時,其尺寸差異是影響分離的重要因素。

3.2 頻率的影響

考察了頻率100 kHz～10 MHz對PS微球定向操控的影響。由方程(1)可知,頻率直接影響微球受到的DEP力的大小。同樣,頻率也影響ACEF的大小(FACEF～M(ω,T)),在不同頻率條件下微球受到的ACEF、DEP和EP的總的合力不同,合力越大,微球的速度就越大。因此,頻率對微球的影響可以通過微球的運動速度來體現。對于10和25 μm微球的分離,以25 μm微球為例,對不同頻率下的微球進行分析,由圖3a可知,不同位置微球速度隨頻率的變化趨勢是相同的;而對于同一位置的微球而言,在頻率為100 kHz時速度最大,即此時25 μm微球受到的合力最大。頻率為100 kHz時,通道各處的25 μm微球運動到中間電極中心線附近的時間均相對最短,同樣的分析也適用于溶液中的10 μm微球。

實驗還觀察到,微球運動速度過小,會導致距離中心電極較遠的25 μm微球在沒有到達中心電極之前就達到受力平衡,停止在電極間隙部位,降低了分離效率。微球運動速度越大,即所受合力越大,距離中心電極較遠的25 μm微球被捕獲到中心電極上的越多,分離效率越高。以上結果說明,100 kHz是實現快速有效分離的最優條件。

圖3b表明,頻率為2 MHz時,5和25 μm微球分離效率最高;5,10和25 μm微球在1 MHz時分離效率最高。以上結果表明,頻率是不同尺寸微球分離的另一個重要因素。

3.3 電壓的影響

考察了電壓對PS微球分離效率的影響。對以上所述3組分離實驗,選取了7～14 Vp-p系列電壓進行研究。實驗表明,PS微球的分離效率會隨電壓的增大而增大。這是因為電壓增大,ACEF、DEP和EP均會增大(FACEF～E4,FDEP～E2,FEP～E),合力也變大,其作用范圍就會擴大,距離中心電極較遠的25 μm微球被運送到中心電極附近的數量增多。聚集到中心電極上的微球越多,分離效率越高。由

圖3 不同位置條件下,速度隨頻率變化圖。其中,(a)為10和25 μm PS微球混合中的25 μm微球;(b)為5和25 μm PS微球混合中的25 μm微球Fig.3 Frequency dependence of the velocity at different locations from the center electrode.Among them,(a)was the 25 μm polystyrene microspheres in 10 and 25 μm mixture;(b)was the 25 μm polystyrene microspheres in 5 and 25 μm mixture

3.2節可知,微球的運動速度體現了其所受到的合力大小,進而可說明微球的分離效率大小。由圖4可見,10和25 μm微球分離的最佳電壓值是14 V;而電壓超過14 V后,10 μm微球會移向電極,不能實現分離。這是因為隨著電壓增大,ACEF作用范圍也增大,3.1節提及的層流區域減小甚至消失,10 μm微球同樣會被ACEF夾帶到電極附近,導致10 μm微球的平衡位置發生變化而不能實現分離。同樣的分析也適用于5 μm微球。實驗表明,5和25 μm微球分離的最佳電壓值是10 V;5、10和25 μm微球混合分離的最佳電壓值是11 V。而3種微球分離所受電壓稍高于兩種微球的情況,則可認為是3種微球相互作用的結果。以上結果表明,電壓是影響分離的又一重要因素。雖然電壓越大,微球的分離效率越高,但存在最高電壓極限,超過極限電壓值,尺寸較小的微球所受平衡力的位置會發生變化,反而影響分離效果。綜上可知,不同尺寸微球分離是多種動電力協同作用的結果。

圖4 25 μm PS微球的速度隨電壓變化圖Fig.4 Voltage dependence of 25 μm polystyrene microspheres velocity

4 結 論

在流體靜態條件下,采用混合動電技術,在微流控芯片上實現了多種不同尺寸PS微球在高電導率溶液中的分離,探討了微球定向運動的動電學原理。微球分離現象是DEP,EP和ACEF等動電力協同作用的結果。微球尺寸、頻率和電壓是影響不同尺寸微球分離的重要因素。尤其發現了在一定電場條件下,兩個相鄰電極的中間位置存在一個層流區域,這個區域是ACEF作用較小甚至作用不到的區域,其中的流體相對靜止。因而尺寸較小的微球(＜10 μm)可以停留在此而不易被ACEF夾帶出去;而尺寸較大的微球(25 μm)由于超出此區域邊界,易于被ACEF夾帶出去,向電極方向移動,從而實現不同尺寸的微球的分離,為實際樣品的研究提供了理論基礎。

1 Wong P K,Wang T H,Deval J H,Ho C M.Ieee-asme T.Mech.,2004,9(2):366-376

2 Sin M L Y,Shimabukuro Y,Wong P K.Nanotechnology,2009,20(16):165701

3 Li D Q.Electrokinetics in microfluidics,Academic Press,2004,Chapter 8

4 Hardt S,Sch?nfeld F.Microfluidic Technologies for Miniaturized Analysis Systems.Springer,2007:315-317

5 Sin M L Y,Gau V,Liao J C,Haake D A,Wong P K.J.Phys.Chem.C.,2009,113:6561-6565

6 Hardt S,Sch?nfeld F.Microfluidic Technologies for Miniaturized Analysis Systems.Springer,2007:393-395

7 Gao J,Yin X F,Fang Z L.Lab Chip,2004,4:47-52

8 Sun Y,Lim C S,Liu A Q,Ayi T C,Yap P H.Sens.Actuators A,2007,133(2):340-348

9 Takamura Y,Onoda H,Inokuchi H,Adachi S,Oki A,Horiike Y.Electrophoresis,2003,24:185-192

10 Feldman H C,Sigurdson M,Meinhart C D.Lab Chip,2007,7:1553-1559

11 Mandy L Y S,Vincent G,Joseph C L,Pak Kin W.J.Assoc.Lab.Autom.,2010,15:426-432

12 Li Y,Dalton C,Crabtree H J,Nilsson G,Kaleret K V I S.Lab Chip,2007,7(2):239-248

13 Doh I,Cho Y H.Sens.Actuators A:Phys.,2005,121(1):59-65

14 Cheung K,Gawad S,Renaud P.Cytometry Part A,2005,65A(2):124-132

15 Krishnan R,Sullivan B D,Mifflin R L,Esener S C,Heller M J.Electrophoresis,2008,29(9):1765-1774

16 Lin R Z,Ho C T,Liu C H,Chang H Y.Biotechnol.J.,2006,1(9):949-957

17 XU Jing,ZHAO Zhan,FANG Zhen,LIU Yong-Hong,DU Li-Dong,GENG Dao-Qu.Chinese J.Anal.Chem.,2011, 39(3):295-299

許靜,趙湛,方震,劉泳宏,杜利東,耿道渠.分析化學,2011,39(3):295-299

18 Gao J,Sin M L Y,Liu T,Gau V,Liao J C,Wong P K.Lab Chip,2011,11(10):1770-1775

19 Gao J,Riahi R,Sin M L Y,Zhang S,Wong P K.Analyst,2012,137(22):5215-5221

20 Gonzalez A,Ramos A,Morgan H,Green N G,Castellanos A.J.Fluid Mech.,2006,564:415-433

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.21375068,81400729)

Electrokinetic Separation of Polystyrene Microspheres in Conductive Media on a Microfluidic Chip

SONG Ning-Ning1,ZHANG Hao1,LI Jin-Bo1,ZHEN Jun-Hui*2,GAO Jian*1
1(Department of Chemistry,Qilu University of Technology,Jinan 250353,China)
2(School of Medicine,Shandong University,Jinan 250012,China)

A polydimethylsiloxane(PDMS)/glass microfluidic chip consisting of a three-layer sandwich structure and three-parallelmicro-electrode system wasfabricated forthe separation ofpolystyrene microspheres according to the particle size in high conductive solution by electric field produced by alternating current.The principle of electrokinetics of microspheres directional movement was investigated.The results showed that,when the applied voltage was 14 V at 100 kHz,the separation efficiency of 10 and 25 μm polystyrene microspheres was the best.Similarly,with a voltage of 10 V at 2 MHz,the separation efficiency of 5 and 25 μm polystyrene microspheres could achieve the highest value.Meanwhile,the voltage of 11 V at 1 MHz was suitable for the separation of 5,10 and 25 μm polystyrene microspheres with the separation efficiency of over 90%.At the same time,the formation of the laminar region in the middle of the electrode gap was the key role of microsphere separation.

Microfluidic chip;Electrokinetics;High-conductivity;Polystyrene microspheres

8 September 2014;accepted 25 October 2014)

2014-09-08收稿;2014-10-25接受

本文系國家自然科學基金面上項目(No.21375068)、國家自然科學基金青年科學基金項目(No.81400729)、山東省優秀中青年科學家科研獎勵基金(No.BS2012SW017)及山東大學基本科研業務費專項資金(No.2014JC033)資助

*E-mail:gaojian@qlu.edu.cn;zhen6576@126.com

10.11895/j.issn.0253-3820.140804