基于光誘導介電泳技術的粒子分離研究

孫路靜,楊文廣,褚洪匯

(煙臺大學機電汽車工程學院,山東 煙臺 264005)

粒子分離在診斷、化學和生物分析、食品和化學加工以及環境評價等方面具有重要意義,尤其是在生物醫藥領域,粒子分離技術不僅可應用于癌細胞的診斷,還可應用于新藥品的研發與檢測,所以研究高效高通量的粒子分離技術是發展這些領域的關鍵。

粒子分離方法的研究很多,總體來說可以將現有的粒子分離方法分為兩大類:主動分離方法和被動分離方法[1-6]。被動分離方法包括微觀結構過濾法、確定性側向位移法和慣性分離法,它主要是指利用分離裝置的微觀結構和粒子的本身物理特性(粒子尺寸,形狀和可變形性)進行粒子分離。這一類方法不受外部物理場的干預,裝置結構簡單,通量大；并且由于被動分離主要是利用粒子的物理差異來分離粒子的,所以對粒子的差異具有很高的敏感性,可以應用于細胞的分離,但是被動分離裝置很容易發生堵塞,分離純度較低,影響分離的因素較多。主動分離是指在分離裝置中施加外部物理場,通過外力的干預來增強粒子分離效果。目前應用于主動粒子分離的外部物理場有聲場、光場、磁場和電場等,分離方法包括介電電泳控制分離、聲場控制分離、磁場控制分離等。主動分離方法對粒子或者細胞的可操作性較強,能夠在很大程度上提高粒子的分離純度和分離效率,但是由于對分離裝置的要求較高以及對粒子或者細胞可能會產生危害等局限性限制了這類分離方法的發展。

為了實現粒子的快速有效的分離,本文提出了一種基于光誘導介電泳技術的粒子分離方法,該方法將光誘導技術與介電泳技術相結合,采用動態虛擬電極對粒子進行分離操作。本文對圓環形光斑電極的電場進行了仿真,并通過實驗驗證了粒子分離的仿真結果。光誘導介電泳技術既能實現對粒子的復雜操縱,又具有無損傷的優點,發展前景廣闊。

1 技術原理

1.1 介電泳技術的基礎理論

利用介電泳技術分離粒子的原理是指在非均勻的電場中,不同介電性的粒子被極化后所受的介電泳力大小、方向不同,從而使不同的粒子偏移到不同的方向以實現粒子分離。根據粒子的運動方向的不同,介電泳力又分為正介電泳力和負介電泳力。其中受正介電泳力的粒子會朝著強電場方向移動,反之,受負介電泳力的粒子會朝著弱電場方向移動[7-11]。

介電泳力的計算模型為

(1)

(2)

(3)

圖1 受不同介電力的粒子移動方向

1.2 光誘導介電泳的工作原理

在運用介電泳技術分離微粒子或者細胞的傳統方法中,介電泳力的產生依賴于非均勻電場,而非均勻電場的產生則依賴于各種形狀不一的光刻金屬電極。在光誘導介電泳技術中,利用不同的光照圖形與半導體光敏材料形成的虛擬光電極便可以產生非均勻電場[12-13]。其中,光電導材料一般選用氫化非晶硅,這種材料在沒有光照的情況下電阻極高,當有光照射的時候,會在材料中產生大量的載流子,從而使電導率提高。

光誘導介電泳芯片結構分為三部分,自上而下依次為導電玻璃層、液體層和光電導層。光電導層是產生非均勻電場的區域,它是由底部的透明玻璃、中間層的透明導電材料以及上層的光導材料三部分組成的。液體層是具有待操作粒子的液體,也是進行粒子分離操作的主要區域。氧化銦錫玻璃由于其具有良好的透光性和低電阻率通常被用來做導電玻璃。光誘導介電泳芯片的具體結構如圖2。

圖2 ODEP芯片結構

2 仿真與實驗

2.1 空間電場的建模仿真

為了進一步對光誘導介電泳技術進行研究,本文運用COMSOL Multiphysics軟件進行建模仿真,仿真粒子捕獲結構的電場分布、電場平方梯度分布以及粒子所受的介電泳力,分析該技術的可行性,并為下一步的實驗做準備。

本文研究的是圓環光電極對單個粒子的捕獲模型,其模型結構如圖3。在這個空間模型中,液體層高度為100 μm,底部圓環是光電極的形狀。在本次的仿真中,我們設置了3種不同的圓環半徑,分別為20 μm、40 μm和60 μm。除了研究圓環光電極的電場分布和對粒子產生的介電泳力外,還研究了不同尺寸的圓環的電場分布,以便實現對粒子的精確操作。

圖3 空間仿真模型

2.2 圓環狀光斑建模與仿真

本文首先對圓環光電極捕獲單個粒子時的電場分布情況進行仿真,以驗證理論可行性,為實驗提供參考數據。

首先對圓環光電極產生的電場分布進行研究,仿真結果如圖4。圖中顏色深淺代表電場強弱,顏色越紅電場強度越大,最大值可達6×105V/m,箭頭的方向代表處于其中的粒子所受的介電泳力的方向。仿真結果表明:圓環光電極可以形成一個三維的非均勻的空間電場,處于圓環平面中心處的電場強度最弱,距離圓環光電極邊緣越近電場強度越大;粒子所受的介電泳力的方向是從電場強的區域指向電場弱的區域,即粒子受負介電泳力。由于圓環中心的電場強度最弱,圓環光電極產生的介電泳力都指向圓環的中心,從而形成一個勢阱,可以將粒子控制在圓環中心,當圓環移動的時候,處于其中的粒子將隨圓環一起移動。

圖4 不同半徑的圓環光電極產生的電場分布

從圖4可以看出,3種不同半徑的圓環光電極均可形成勢阱,將粒子控制在其中。為了研究圓環光電極產生的介電泳力的大小,我們對這3種不同半徑的圓環光電極產生的電場平方梯度進行仿真,其結果如圖5。圖中顏色深淺代表電場平方梯度值的大小,顏色越紅電場平方梯度值越大。由介電泳力計算公式可知,在粒子半徑一定的情況下,介電泳力的大小與電場平方梯度成正比。因此,圓環中心處的介電泳力最小,越靠近圓環邊緣,介電泳力越大,從而可以將粒子控制在圓環光電極形成的勢阱中。

圖5 不同半徑的圓環光電極產生的電場平方梯度分布

從電場平方梯度的分布圖中,我們可以看出介電泳力的大致分布情況,但是無法看出具體的數值。所以,我們用一維曲線圖將仿真模型中一個水平面的電場平方梯度的具體數值描繪出來,以此來反映粒子所受的介電泳力的具體數值,結果如圖6。從曲線圖中可以看出,圓環光電極產生的介電泳力的幅值出現在光電極的邊緣位置,處于圓環中心位置的介電泳力最小,其具體數值趨近于0。對于不同半徑的圓環電極來說,半徑為40 μm的圓環光電極產生的介電泳力幅值最大,幅值最小的是半徑為20 μm的圓環光電極產生的介電泳力。

圖6 不同半徑的圓環光電極在同一水平位置產生的介電泳力大小變化情況

上述仿真結果表明,圓環光電極可產生一個三維的非均勻電場空間(圖7)。在這個非均勻的電場中,圓環光電極邊緣位置的電場強度最大,圓環中心處的電場強度最小。圓環光電極產生的負介電泳力在圓環邊緣處最大,距離邊緣處越遠,介電泳力越小,而在圓環中心處的介電泳力最小。因此,圓環光電極可在圓環中心處產生勢阱將粒子控制其中,使得粒子隨圓環的移動而移動,可實現對粒子的分離操作。對于仿真的3種不同半徑的圓環光電極來說,半徑為40 μm的圓環光電極效果更加顯著。

圖7 介電泳力的三維空間仿真

2.3 實驗驗證

通過仿真得出的結果(圖8)可知,利用圓環光電極分離粒子具有可行性,下面將采取實驗對結果進行進一步的驗證。將直徑20 μm和直徑2 μm的聚苯乙烯小球混合在電導率為1×10-3S/m的溶液中,將圓環形光束照射光誘導介電泳芯片表面,并通過信號發生器施加交流電壓(頻率為70 kHz,幅值為20 V)。此時,20 μm的聚苯乙烯小球在負的介電泳力作用下受到光斑的排斥作用,向圓環光斑的中心移動,而2 μm聚苯乙烯小球由于正的介電泳力受到光斑的吸引作用,向光斑明亮區域移動。繼續縮小圓環光斑直徑,會發現20 μm的聚苯乙烯小球緊密聚集在圓環光斑的中心位置,而2 μm聚苯乙烯小球則因吸引作用分布在光斑的明亮處。

圖8 通過光誘導介電泳技術分離20 μm和2 μm聚苯乙烯小球的實驗過程

3 結 語

研究了一種基于光誘導介電泳技術的粒子分離方法，該方法將光誘導技術與介電泳技術相結合，采用動態虛擬光電極對粒子進行分離操作。本次研究工作對圓環光電極進行COMSOL Multiphysics軟件仿真與實驗，仿真結果表明，圓環光電極可在圓環中心處產生勢阱將粒子控制其中，使得粒子隨圓環的移動而移動，可實現對粒子的分離操作；以仿真結果為依據，利用大小不同的聚苯乙烯小球進行實驗探究，結果表明，圓環光電極可以將大粒子控制在電極的中心位置，而小粒子集中在圓環邊緣部分，從而實現粒子分離。研究表明，光誘導介電泳技術既能實現對粒子的復雜操作，又具有無損傷的優點，發展前景廣闊。