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(lǐng)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(shù)，與色譜分析法、離心法以及熒光篩選法等傳統(tǒng)技術(shù)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(guān)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(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)封裝，介電泳技術(shù)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(chǔ)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(chǔ)上架構(gòu)了微粒的分離系統(tǒng)。

1 在微流控分離的芯片中如何進(jìn)行微粒分離

1.1 基于微粒尺寸進(jìn)行分離

如圖1所示，假設(shè)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(jìn)入主通道，緩沖液從支路B進(jìn)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(cè)。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(jìn)入電場后，在負(fù)介電泳力的影響下，粒子便會偏轉(zhuǎn)，且偏轉(zhuǎn)方向靠近y軸正方向。由于該力強(qiáng)度與微粒體積大小成正比，因此淺色微粒受力更大、偏轉(zhuǎn)更明顯。當(dāng)偏轉(zhuǎn)使其移動進(jìn)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(jìn)行分離

假設(shè)圖中深色粒子受正介電泳作用，淺色粒子受負(fù)介電泳作用。當(dāng)無電信號時，二者均從D支路流出；但是，當(dāng)有電信號時，淺色粒子因負(fù)介電泳力的影響遠(yuǎn)離電極，深色則靠近電極。電信號達(dá)到一定強(qiáng)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(shè)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(yùn)動軌跡也因此不同，從而實現(xiàn)粒子的分離。因此，設(shè)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(jié)構(gòu)有三層的分離芯片應(yīng)運(yùn)而生。其電極為AgPDMS導(dǎo)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(cè)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(jié)構(gòu)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(shù)的處理下，ITO被刻蝕形成導(dǎo)線，對3D電極與外部信號源進(jìn)行連接。中間層即3D電極層，其底端和ITO導(dǎo)線連接，將ITO導(dǎo)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(cè)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(jìn)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(shè)計要求的重要因素。加工時，ITO導(dǎo)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(jìn)行加工，務(wù)必將掩膜對準(zhǔn)。掩膜對準(zhǔn)的程度與芯片質(zhì)量密切相關(guān)，為確保每層間連接良好，采用了化學(xué)鍵合、熱鍵合兩種方式進(jìn)行連接。在PDMS通道與基底和3D電極的鍵合中，使用化學(xué)鍵合；在ITO導(dǎo)線和3D電極的鍵合中，應(yīng)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(zhǔn)、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(jìn)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(jī)腔室，并使其正面朝上，進(jìn)行抽真空處理，使其位于真空環(huán)境內(nèi)。然后，進(jìn)行對準(zhǔn)，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(zhǔn)時通道與ITO基底不致于鍵合。在工作臺上進(jìn)行目測對準(zhǔn)后，放入顯微鏡下，進(jìn)行微調(diào)。最后，進(jìn)行鍵合。對準(zhǔn)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(qiáng)。

4 研究關(guān)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(jìn)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(guān)重要。所謂臨界電壓，既保證一種粒子能夠在下側(cè)支路流出，而另一種粒子則在上側(cè)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(yùn)動方向沿著通道下側(cè)，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(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)電壓低于48V時，兩種粒子都有偏轉(zhuǎn)，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(dāng)電壓達(dá)到48V時，可以明顯看到粒子偏轉(zhuǎn)幅度較大，4μmPS粒子從支路下側(cè)的D處流出，12μmPS粒子從支路上側(cè)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(dāng)電壓值達(dá)到72V時，12μmPS粒子從支路上側(cè)流出，大部分4μmPS粒子從支路下側(cè)流出，但是有部分流到了上側(cè)。這說明實際電壓大于臨界電壓時分離效果并不好。

5 結(jié)束語

作者根據(jù)自身掌握的微流控芯片技術(shù)，并結(jié)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(jìn)行了制作，使得不同微粒得以分離。

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