基于雙層電極的介電電泳微流控芯片的設(shè)計(jì)和制備

國世上，黃慧明，李美亞

（武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430072）

1 引 言

微流控芯片是20世紀(jì)90年初發(fā)展起來的重要技術(shù)平臺(tái)，因其分析速度快、樣品耗量少、檢測(cè)通量高、便攜性能好和易于自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)而受到人們普遍關(guān)注［1-3］.它以微流控技術(shù)和微機(jī)電加工技術(shù)（MEMS）為基礎(chǔ)，制備出小尺度（從μm到nm）的流體器件，研究小尺度上流體的特異性質(zhì)，控制小尺度流體的物理和化學(xué)變化［4-6］.該研究領(lǐng)域是在物理、化學(xué)、生物等多個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科上發(fā)展起來的一門全新的交叉學(xué)科，涉及到材料制備、機(jī)械加工、生化分析及生物工程等技術(shù)領(lǐng)域.伴隨著微流控芯片的蓬勃發(fā)展，數(shù)值仿真也逐漸成為微流控芯片學(xué)科中的重要部分.數(shù)值仿真在微流控芯片中有很多優(yōu)勢(shì)，比如可以幫助驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，有助于研究人員更好地理解實(shí)驗(yàn)的物理機(jī)制，有助于優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及其器件，還可以幫助驗(yàn)證假設(shè)，等等.

在微流控芯片中，介電電泳技術(shù)由于自身優(yōu)異性而受到人們的重點(diǎn)關(guān)注，其最大特點(diǎn)是利用不均勻電場(chǎng)對(duì)微粒進(jìn)行物理分離.該技術(shù)不需要添加抗體，生物顆粒（如細(xì)胞）不會(huì)在分離過程中因抗體反應(yīng)而發(fā)生生物性質(zhì)改變；所用交變電場(chǎng)對(duì)細(xì)胞的作用是“非破壞性”的，電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率、相位都容易調(diào)控；同時(shí)，該技術(shù)還可與熱、光、聲等其他物理手段結(jié)合使用，以達(dá)到最佳的微粒操縱效果.例如，Das等利用多組不同頻率的微陣列平行電極進(jìn)行了細(xì)胞篩選［7］.由于癌細(xì)胞和正常細(xì)胞大小不同，所受的介電電泳力不同，據(jù)此可將淋巴瘤細(xì)胞從血液混合液中分離出來.這種方法可進(jìn)一步用于外周血中脫落癌細(xì)胞的檢測(cè)，為腫瘤轉(zhuǎn)移的診斷提供了一種有效途徑.

近年來，本課題組在對(duì)本科生業(yè)余科研及研究生教學(xué)過程中，進(jìn)行了一系列介電電泳微流控芯片的研制和演示工作.在傳統(tǒng)電極制備的基礎(chǔ)上，結(jié)合光刻工藝設(shè)計(jì)了新型微流控芯片，利用在玻璃基底上下兩面制備金屬電極的方法，與閉合溝道的硅膠溝道鍵合在一起，通過施加交流電壓的底部電極產(chǎn)生的非均勻電場(chǎng)提供基本的介電電泳力來抓捕顆粒，根據(jù)微粒的物理性質(zhì)實(shí)現(xiàn)有效操縱.該微流控芯片可以在充滿液體的微流溝道中反復(fù)使用，沒有明顯的電熱現(xiàn)象，操縱簡(jiǎn)單、可靠性高，非常有利于學(xué)生加深對(duì)實(shí)驗(yàn)物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解.

2 實(shí)驗(yàn)原理與芯片制備

介電電泳（dielectrophoresis，DEP）是指放置于非均勻電場(chǎng)下的電中性顆粒產(chǎn)生誘導(dǎo)極化并且與電場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的電泳現(xiàn)象［8-10］.當(dāng)溶液的極化率大于顆粒的極化率時(shí)，產(chǎn)生負(fù)向介電泳，顆粒向場(chǎng)強(qiáng)最低的區(qū)域移動(dòng)；反之，則為正向介電泳，顆粒向場(chǎng)強(qiáng)最高的區(qū)域移動(dòng).在非均一電場(chǎng)下，根據(jù)不同微粒所受到的介電電泳力不同而實(shí)現(xiàn)分離，介電電泳力的大小和方向主要與外加電場(chǎng)的頻率、溶液和微粒的介電特性、電導(dǎo)率及微粒的大小有關(guān).作用在球形顆粒上的介電電泳力為

其中

式中r，εp，σp，εm和σm分別為顆粒半徑、顆粒電容率、顆粒電導(dǎo)率、介質(zhì)電容率和介質(zhì)電導(dǎo)率.由（1）式可以看出，介電電泳力與電場(chǎng)強(qiáng)度平方的梯度呈線性關(guān)系.

利用傳統(tǒng)lift-off技術(shù)進(jìn)行介電電泳芯片電極的制備.該工藝簡(jiǎn)述如下：使用三氯乙烯、丙酮、異丙醇、去離子水依次清洗玻璃基底（100μm厚），利用正光刻膠（AZ5214E）在玻璃基底上旋涂1μm厚度薄層，使用高精度的透明掩膜在UV光源下進(jìn)行光刻.顯影后通過磁控濺射制備鉻／金叉指電極.最后利用丙酮去除光刻膠制備出所需電極圖案.微流溝道的制作采用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)，配置交聯(lián)劑（A組分）與固化劑（B組分）體積比為10:1的聚二甲基硅氧烷（PDMS），澆注在硅片陽膜上，80℃固化1h從硅片上剝離，然后將PDMS溝道和玻璃基底進(jìn)行氧等離子體處理后實(shí)現(xiàn)鍵合.芯片設(shè)計(jì)和制備如圖1～3所示，可見該電泳芯片具有良好的雙層電極結(jié)構(gòu)，從而具備靈活的電場(chǎng)操縱性.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，介電電泳芯片放于正置顯微鏡（SZX7，Olympus）上進(jìn)行觀察，顯微鏡連接有高速CCD攝像頭，用于觀察與記錄微粒的運(yùn)動(dòng)過程，通過專業(yè)的圖像分析軟件（IPP）進(jìn)行圖像分析.利用雙通道信號(hào)發(fā)生器（Agilent 81150A）經(jīng)高頻放大器（Model 25A250）施加1MHz的交流信號(hào)在底電極上，雙通道信號(hào)發(fā)生器的一路信號(hào)加到一列叉指電極，另一路峰值相同相差180°的信號(hào)加到另一組叉指電極上，利用數(shù)字示波器進(jìn)行監(jiān)測(cè).配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%葡萄糖和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.5%蔗糖的去離子水低導(dǎo)電性介電溶液，把聚苯乙烯小球（10μm直徑）分散其中形成懸浮液，溶液的電導(dǎo)率使用阻抗分析儀（Agilent 4294A）在1MHz頻率時(shí)測(cè)得.

圖1 介電電泳芯片設(shè)計(jì)示意圖

圖2 制備好的芯片實(shí)物照片

圖3 叉指電極放大圖

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

3 結(jié)果分析與討論

微流控芯片與宏觀實(shí)驗(yàn)不同之處在于其尺寸已經(jīng)達(dá)到μm級(jí)別，有許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或者遇到的問題與在宏觀尺度中有很大的不同，這就給研究帶來了一定的困難，而模擬仿真可以從理論上幫助人們更好地理解物理機(jī)制，理解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

利用有限元軟件（COMSOL multiphysics）對(duì)該介電電泳芯片進(jìn)行了三維模擬，建模時(shí)采用的幾何結(jié)構(gòu)與芯片實(shí)際尺寸一致.介電電泳芯片頂電極的電勢(shì)能和電場(chǎng)平方的梯度幅值如圖5所示.從圖中可以看到雙層電極產(chǎn)生的電場(chǎng)為非均勻電場(chǎng)，且電場(chǎng)強(qiáng)度在頂電極中心處最低，在兩電極中間處最強(qiáng).電場(chǎng)平方的梯度幅值隨著電極的周期性變化呈現(xiàn)周期性的變化，且在每個(gè)頂電極上的幅值變化為拋物線變化，在相鄰電極中心達(dá)到最大值，表明此處介電電泳力最大.通過分析電勢(shì)能和介電電泳力等物理問題，可以有效地預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程及結(jié)果，從而生動(dòng)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的物理機(jī)制.

圖5 介電電泳芯片垂直于頂電極切面的電勢(shì)能和電場(chǎng)平方的梯度幅值

根據(jù)介電特性，聚苯乙烯微球在非均勻電場(chǎng)中進(jìn)行負(fù)向介電泳，微球?qū)?huì)聚集在電場(chǎng)最弱的電極中心區(qū)域.圖4為該介電電泳芯片對(duì)聚苯乙烯微球的操縱實(shí)驗(yàn)結(jié)果.粒子數(shù)密度為2.28×107mL-1的懸浮聚苯乙烯顆粒懸浮液以體積流量5μL／h注入到PDMS通道，溶液的電導(dǎo)率為3.3μS.施加的交流電頻率為1MHz，峰值電壓為120V.由圖6可知，大部分聚苯乙烯球在5s內(nèi)聚集到了頂電極的中心.當(dāng)流體的最大體積流量提高到30μL／h時(shí)，被捕獲的聚苯乙烯微球仍然聚集在電極中心.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明，通過控制底電極電場(chǎng)，可有效進(jìn)行芯片中的介電電泳，微粒所受介電電泳力與模擬結(jié)論相符.通過圖像處理計(jì)算出顆粒的平均體積流量為（16.7±2.5）μm／s，作用在聚苯乙烯微球上的介電泳力約為1.4pN，該介電泳力遠(yuǎn)大于單層電極芯片結(jié)果（約為0.26 pN［7］），從而證實(shí)通過雙層電極的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種更有效的介電電泳操控方式.

圖6 在電場(chǎng)作用下聚苯乙烯微球的分布顯微鏡照片

4 結(jié)束語

介電電泳在微流控芯片中具有極大的應(yīng)用潛力，本文提出了基于雙層金屬電極的介電電泳微流控芯片設(shè)計(jì)，并且利用光刻、等離子體鍵合等微加工工藝制備了基于該設(shè)計(jì)的芯片.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了聚苯乙烯介質(zhì)微球的介電電泳捕獲實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果相吻合，結(jié)果表明本文提出的基于雙層金屬電極的介電電泳芯片能更有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)電介質(zhì)顆粒操控.這些工作有助于加深學(xué)生對(duì)介電電泳物理現(xiàn)象、微流控芯片加工設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用等方面的理解，也是將科研成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)教學(xué)所做的有益嘗試.

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