集成慣性聚焦結(jié)構(gòu)的介電泳微流控芯片的粒子連續(xù)分離*

曾一笑,方 明,樊 磊,吳 菲,譚秋林*,孫 東

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051;2.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

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集成慣性聚焦結(jié)構(gòu)的介電泳微流控芯片的粒子連續(xù)分離*

曾一笑1,2,方 明1,樊 磊1,2,吳 菲1,2,譚秋林1,2*,孫 東1,2

(1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051;2.儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051)

設(shè)計并制造了一種帶有慣性聚焦結(jié)構(gòu)的介電泳微流控芯片,以實現(xiàn)不同介電性質(zhì)的粒子連續(xù)分離。采用MEMS工藝制作了介電泳微流控芯片:通道入口側(cè)壁設(shè)置一對梯形結(jié)構(gòu)使經(jīng)過的粒子受慣性升力的作用聚焦到通道兩側(cè);通道底部光刻一組夾角為90°的傾斜叉指電極產(chǎn)生非均勻電場,利用介電泳力和流體曳力的合力使通道兩側(cè)不同的粒子發(fā)生角度不同的偏轉(zhuǎn)進入不同通道,從而實現(xiàn)分離。將酵母菌細胞和聚苯乙烯小球作為實驗樣本,分析了流速和交流電壓對分離的影響,確定了二者分離的最優(yōu)條件并進行分離。實驗結(jié)果表明,將電導(dǎo)率為20 μS/cm的樣本溶液以5 μL/min的流速注入到通道中,施加6 Vp-p、10 kHz的正弦信號,酵母菌細胞沿電極運動至夾角處后沿通道中心排出,聚苯乙烯小球沿通道兩側(cè)排出,成功實現(xiàn)分離,平均分離效率達92.8%、平均分離純度達90.7%。

介電電泳;慣性聚焦;微流控芯片;連續(xù)分離

隨著微制造技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用于生物學(xué)的集成流體、電場以及光學(xué)元件的芯片發(fā)展迅速[1-3]。這些芯片充分利用不同的技術(shù)進行樣品的制備以及分析。在樣品制備方面,一種重要的技術(shù)就是細胞分離,它包含光學(xué)[4]、電學(xué)[5]、聲學(xué)[6]、流體學(xué)[7]、磁學(xué)[8]等方法。其中介電電泳能在微通道中利用外加電壓對粒子產(chǎn)生非接觸力,根據(jù)細胞的性質(zhì)如尺寸[9]、密度[10]、介電性質(zhì)[11]等進行分離,是一種不需要對粒子進行標(biāo)記,對細胞無損傷,可同時對多細胞進行操作,而且還可以與其他技術(shù)相結(jié)合進而提高分離效率的方法。

傳統(tǒng)的介電泳粒子分離主要分為間斷分離和連續(xù)分離:Markx等人[12]利用城垛型電極間斷分離了酵母菌細胞和巨大芽孢桿菌,這種分離方法需要間斷性的施加或者關(guān)閉電場,分離過程復(fù)雜、效率低、周期長,并且不能分離介電性質(zhì)相同的粒子;Liming Yu等人[13-15]制備了3D硅電極對活酵母菌和死酵母菌細胞進行分離,這種方法雖然減少了電場在垂直方向的衰減、提高了間斷分離的效率,但是加工工藝困難、成本昂貴;Jason G等人、Il Doh等人和Unyoung Kim等人[16-19]利用介電泳力均實現(xiàn)了不同粒子的連續(xù)分離,與間斷分離方法相比縮短了粒子的分離周期提高了工作效率。但是這些連續(xù)分離方法往往需要雙通道或多通道引入緩沖液,先精確調(diào)節(jié)緩沖液與樣本溶液的流速比實現(xiàn)對樣本的聚焦后再進行介電泳分離,過程十分復(fù)雜并且導(dǎo)致了樣本密度的減小。

本文設(shè)計并制造了一種帶有梯形慣性聚焦結(jié)構(gòu)的介電泳微流控芯片,用于粒子連續(xù)、高通量的分離。芯片采用設(shè)有一對梯形結(jié)構(gòu)的單通道入口,能夠不需要任何附加力就實現(xiàn)粒子高通量聚焦,再對粒子進行介電泳連續(xù)分離,避免了復(fù)雜的流量控制,簡化了分離過程。并且這種慣性聚焦結(jié)合介電泳分離的方法與單純的慣性流體分離方法[20-21]相比,通道結(jié)構(gòu)簡單,分離效率也有較大的提高。首先,利用通道入口兩側(cè)的梯形結(jié)構(gòu)使通過的粒子受到慣性升力的作用,將粒子聚焦到通道兩側(cè),采用夾角為90°的陣列叉指電極結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非均勻電場,根據(jù)不同介電性質(zhì)的粒子所受介電泳力不同[22],使通道中的兩種粒子在流體曳力的作用下發(fā)生不同角度的偏轉(zhuǎn)而進入不同的出口進行分離。

1 實驗部分

1.1 分離原理

樣本由入口注入到通道中經(jīng)過梯形結(jié)構(gòu)時,這種縮放結(jié)構(gòu)改變了通道中流場的方向,粒子主要受到慣性升力和動量變化引起的慣性力的作用。在低流速時,粒子所受到的慣性升力Fi占主導(dǎo)作用,粒子在慣性升力的作用下背離梯形結(jié)構(gòu)向位于微通道兩側(cè)的平衡位置運動,在通道兩側(cè)聚焦成兩股顆粒流[23-24],其表達式為[25]:

(1)式中:CL為無量綱升力系數(shù),ρf為流體密度,G=Um/Dh為流體的剪切率(Um為流體的流速,Dh為微通道直徑),αp為粒子直徑。

如圖1所示,粒子進入非均勻電場時,主要受到垂直于電極方向的介電泳力FDEP和水平方向的流體曳力FDrag的共同作用發(fā)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角度的大小取決于介電泳力和流體曳力的相對大小。

圖1 粒子在通道中的受力分析

對于一個半徑為r的球形粒子,其在交流電場中受到的介電泳力[26]:

(2)

FDrag=6πηrv

(3)

式中:流體的粘度為η,流體的流速為ν。由以上分析可知,粒子所受介電泳力的大小與粒子的CM因子有關(guān),所以,當(dāng)不同介電性質(zhì)的粒子在通道兩側(cè)經(jīng)過插指電極上方時所受的介電泳力大小不同,一種粒子受較大的介電泳力在曳力的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)沿電極運動;另一種粒子受較小的介電泳力(或不受介電泳力)基本不發(fā)生偏轉(zhuǎn)在曳力的作用下水平運動,從而實現(xiàn)分離。

1.2 芯片的設(shè)計和制作

根據(jù)分離原理設(shè)計了如圖2(A)所示微流控芯片結(jié)構(gòu)。芯片由ITO電極和微通道組成。通道部分有一個主通道和3個分通道,通道入口處設(shè)有一對梯形結(jié)構(gòu),通道內(nèi)部由24對夾角為90°的傾斜陣列插指電極構(gòu)成,兩側(cè)分別連接函數(shù)信號發(fā)生器。施加一定的流速使混合粒子溶液從通道入口進入,粒子經(jīng)過微通道入口處梯形縮放結(jié)構(gòu)時,受到慣性升力的作用分別被聚焦到通道兩側(cè)的平衡位置,施加正弦信號,兩種不同粒子經(jīng)過非均勻電場受大小不同的合力分別從中心和兩側(cè)出口流出,圖2(B)。芯片各部分尺寸如圖2(C)所示,傾斜插指電極寬度為30 μm,電極間隔為30 μm,主通道寬度為400 μm、高度為50 μm,分通道的寬度分別為350 μm、400 μm、350 μm,梯形結(jié)構(gòu)的寬度為250 μm、高度為170 μm。

微流控芯片的加工工藝流程如圖2(E)所示。在鍍有ITO薄膜的玻璃上旋涂厚度約為2 μm的正光刻膠(RZJ304),通過勻膠,曝光,顯影,濕法刻蝕以及剝離等工藝過程制作出微流控芯片微電極結(jié)構(gòu)。在2.5 inch硅片旋涂50 μm厚的負光刻膠(SU8-2025),通過勻膠、曝光、顯影得到微通道的陽模結(jié)構(gòu)。然后,將PDMS預(yù)聚物與固化劑按10∶1混合,經(jīng)抽真空后澆注在微通道的陽模結(jié)構(gòu)上,95 ℃下固化2 h,剝離后得到PDMS微通道。將氧等離子體處理過的PDMS微流通道和玻璃基片在通道和電極位置對準(zhǔn)之后進行鍵合。加工好的微流控芯片如圖2(D)所示。

圖2 (A)微流控芯片的設(shè)計;(B)微流控芯片的工作原理;(C)微流控芯片各部分尺寸;(D)微流控芯片實物圖;(E)微流控芯片加工工藝流程:(a)ITO電極的制作(b)PDMS微通道的制作(c)鍵合

1.3 樣本準(zhǔn)備和實驗平臺

采用酵母菌細胞(5 μm,安琪酵母股份有限公司)和聚苯乙烯小球(10 μm,天津倍思樂)作為分離實驗樣本。將酵母菌細胞在 30 ℃ 的細胞培養(yǎng)液中培養(yǎng)24 h,經(jīng)過離心后棄去上層清液,加入去離子水,進行二次離心,重復(fù)3 次,得到酵母菌細胞懸浮液(1×106/mL);將去離子水中加入0.1 wt%的Tween-20對聚苯乙烯小球進行清洗后加入去離子水備用(0.2×106/mL)。將酵母菌細胞溶液和聚苯乙烯小球溶液以1∶1體積比混合制成樣本溶液,通過添加少量的混合磷酸緩沖液(PBS,HyClone)調(diào)節(jié)電導(dǎo)率至20 μS/cm。

介電泳細胞分離裝置主要由計算機,倒置顯微鏡(Axio Vert.A1,蔡司),函數(shù)信號發(fā)生器(AFG-3081,安捷倫科技有限公司),注射泵(LSP01-2A,蘭格恒流泵有限公司)以及介電泳芯片構(gòu)成。電極的兩端分別連接函數(shù)信號發(fā)生器的輸出端口以及接地端口,信號采用正弦信號。采用注射泵控制粒子混合溶液在微通道中的流速,通過連接到顯微鏡上的CCD相機(德國 Imaging Source 公司)記錄粒子在電場作用下的運動情況。

1.4 酵母菌細胞和聚苯乙烯小球的分離實驗

根據(jù)本課題組先前的研究結(jié)果可知[27-28],由于酵母菌細胞和聚苯乙烯小球的介電性質(zhì)不同,在電導(dǎo)率為20 μS/cm緩沖液中,施加10 kHz頻率的正弦信號,酵母菌細胞受較大的負介電泳力,而聚苯乙烯小球受微弱的正介電泳力。所以,根據(jù)酵母菌細胞受較大的介電泳力在曳力的作用下沿電極運動而聚苯乙烯小球受較小的介電泳力在曳力的作用下水平運動的原理實現(xiàn)二者的分離。

1.4.1 梯形結(jié)構(gòu)對粒子聚焦的影響

由式(1)可知,流體的流速決定了其所受慣性升力的大小,從而影響粒子的聚焦。將樣本溶液以1 μL/min、3 μL/min、5 μL/min的流速注入到帶有梯形結(jié)構(gòu)的微通道中,觀察梯形結(jié)構(gòu)對粒子聚焦的影響。

1.4.2 流速對粒子分離的影響

由式(3)可知,流體的流速對粒子所受曳力的大小有直接的影響。為了考察流速對粒子分離的影響,施加6 Vp-p、10 kHz的正弦信號令介電泳力大小不變,分別觀察酵母菌細胞和聚苯乙烯小球在3 μL/min、5 μL/min、8 μL/min、10 μL/min流速下的分離情況。

1.4.3 電壓對粒子分離的影響

正弦信號電壓的大小直接決定了其所受介電泳力的大小(式(2))。為了考察電壓大小對粒子分離的影響,在流速為5 μL/min、頻率為10 kHz時,觀察電壓分別為8 Vp-p、6 Vp-p、4 Vp-p、3 Vp-p時的分離情況。

1.4.4 酵母菌細胞和聚苯乙烯小球的分離

以5 μL/min的流速將樣本溶液注入到芯片中,施加電壓為6 Vp-p、頻率為10 kHz的正弦信號,觀察酵母菌細胞和聚苯乙烯小球的分離并計算分離效率。

圖4 6 Vp-p交流電壓、不同流速下酵母菌細胞和聚苯乙烯小球的分離

2 結(jié)果與討論

2.1 梯形結(jié)構(gòu)對粒子聚焦的影響

圖3是樣本溶液流速分別為1 μL/min、3 μL/min、5 μL/min時粒子的運動軌跡:流速為1 μL/min時,粒子在經(jīng)過梯形結(jié)構(gòu)開始有分別向通道的兩個側(cè)壁偏轉(zhuǎn)的趨勢(圖3(a));隨著流速增加到3 μL/min時(圖3(b)),粒子偏轉(zhuǎn)的趨勢越來越明顯;當(dāng)流速增加到5 μL/min時,粒子的運動軌跡如圖3(c)所示,粒子被聚焦到了通道的上部和下部兩部分,聚焦現(xiàn)象十分明顯。這是由于流體的流速越快,粒子所受的慣性升力越大、聚焦越明顯,說明微通道中的梯形結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)粒子的高通量聚焦,為粒子的介電泳分離做準(zhǔn)備。

圖3 酵母菌和聚苯乙烯小球混合液經(jīng)過梯形結(jié)構(gòu)

2.2 流速和電壓對粒子分離的影響

2.2.1 流速對粒子分離的影響

圖4是正弦信號為6 Vp-p、1 kHz時,3 μL/min、5 μL/min、8 μL/min、10μL/min流速下的酵母菌細胞和聚苯乙烯小球在慣性聚焦后經(jīng)過非均勻電場的分離情況。如圖4(a),調(diào)整流速為3 μL/min,酵母菌細胞所受負介電泳力占優(yōu)勢,沿電極方向從通道兩側(cè)運動到電極的夾角處并吸附在電極上,聚苯乙烯小球受較微弱的正介電泳力,流體曳力占主導(dǎo)作用,在通道兩側(cè)沿水平方向從出口1、3流出;增加流速至5 μL/min時,流體曳力與介電泳力基本平衡,酵母菌細胞運動至夾角處后隨著流體沿通道中心線運動至出口2,聚苯乙烯小球運動軌跡不變,圖4(b);流速為8 μL/min時,酵母菌細胞所受曳力占優(yōu)勢,大部分酵母菌細胞隨流體排出,圖4(c);當(dāng)流速增至10 μL/min時,流體曳力過大,酵母菌細胞基本沒有偏轉(zhuǎn)的趨勢,兩種粒子均隨流體排出,無法實現(xiàn)分離,圖4(d)。所以,在施加6 Vp-p、1 kHz的正弦信號時,選擇5 μL/min的流速最優(yōu)。

2.2.2 交流電壓對粒子分離的影響

圖5是施加5 μL/min流速,頻率為10 kHz、電壓分別為8 Vp-p、6 Vp-p、4 Vp-p、3 Vp-p正弦信號下經(jīng)過慣性聚焦后的酵母菌細胞和聚苯乙烯小球在非均勻電場中的分離情況。當(dāng)調(diào)整正弦信號電壓為8 Vp-p時,酵母菌細胞所受負介電泳力占優(yōu)勢,從通道兩側(cè)沿電極運動至夾角處被吸附在電極上,不能隨流體排出,聚苯乙烯小球受正介電泳力較小、曳力占主導(dǎo)作用,在通道的兩側(cè)沿水平方向從出口1、3流出,圖5(a);降低電壓至6 Vp-p,介電泳力減小至與曳力平衡,酵母菌細胞運動至夾角后沿通道中心線從出口2流出,聚苯乙烯小球運動軌跡不變,圖5(b);電壓為4 Vp-p時,隨流體排出的酵母菌細胞數(shù)量增加,圖5(c);電壓降低到3 Vp-p時,曳力占優(yōu)勢,酵母菌細胞大部分被流體帶走,只有少部分運動至夾角處,分離效果較差,圖5(d)。所以,在施加5 μL/min流速,頻率為10 kHz的正弦信號時,電壓為6 Vp-p為最優(yōu)。

圖5 5 μL/min流速、不同電壓下酵母菌細胞和聚苯乙烯小球的分離

綜上所述,在樣本溶液的電導(dǎo)率為20 μS/cm時,選擇10 kHz、6 Vp-p正弦信號、5 μL/min流速作為酵母菌細胞和聚苯乙烯小球的分離條件為最佳。

2.3 酵母菌細胞和聚苯乙烯小球的分離

圖6是樣本溶液在5 μL/min流速下,施加電壓為6 Vp-p、頻率為10 kHz的正弦信號時酵母菌細胞和聚苯乙烯小球的分離情況。

酵母菌細胞和聚苯乙烯小球首先經(jīng)過通道兩側(cè)的梯形結(jié)構(gòu)被聚焦到通道兩側(cè)(圖6(a)),然后在通道兩側(cè)隨著流體沿水平方向運動;經(jīng)過非均勻電場時,酵母菌細胞沿電極方向運動到電極夾角處后在通道中心線向出口2運動,聚苯乙烯小球在通道兩側(cè)沿水平方向向出口1、3運動,實現(xiàn)了連續(xù)分離(圖6(b))。

圖6 施加5 μL/min的流速、6 Vp-p 10 kHz正弦信號時酵母菌細胞和聚苯乙烯小球的分離情況

2.4 分離效率的計算

選擇聚苯乙烯小球為目標(biāo)粒子,定義一定時間內(nèi)出口1和3收集到的聚苯乙烯小球數(shù)量M1和3個出口收集到的聚苯乙烯小球數(shù)量總和M2之比為分離效率,出口1和3內(nèi)收集到的聚苯乙烯小球數(shù)量N1、N12分別與出口1和3內(nèi)粒子總數(shù)N2、N22之比的均值為分離純度。利用血細胞計數(shù)板進行計數(shù),30 s內(nèi)出口1、2、3收集到的聚苯乙烯小球數(shù)量分別為243、38、298,出口1、3 收集到的酵母菌數(shù)量為261、327,則M1=541、M2=579、N1=243、N2=261、N12=298,N22=327,芯片的分離效率約為93.4%、純度為93.1%,重復(fù)多次實驗芯片的平均分離效率為92.8%,平均純度為90.7%。

3 結(jié)論

設(shè)計并制造了一種用于粒子連續(xù)分離的帶有慣性聚焦結(jié)構(gòu)的介電泳微流控芯片。分析了粒子在微通道中的受力情況,并對流速和交流電壓對酵母菌細胞和聚苯乙烯小球分離的影響進行了討論。利用酵母菌細胞和聚苯乙烯小球作為細胞模型驗證芯片的功能,調(diào)整電壓和流速的大小,確定了二者分離的最優(yōu)條件,并以此條件對樣本溶液進行了分離實驗。結(jié)果表明,以5 μL/min 流速將電導(dǎo)率為20 μS/cm的樣本溶液注入芯片,施加6 Vp-p、10 kHz的正弦信號時,酵母菌細胞和聚苯乙烯小球先經(jīng)過梯形結(jié)構(gòu)被聚焦到通道兩側(cè),然后在非均勻電場中酵母菌細胞從通道兩側(cè)沿電極運動至夾角處后從出口2排出,聚苯乙烯小球從出口1、3排出,實現(xiàn)分離,其平均分離效率達到92.8%、純度達90.7%。該芯片在通道入口兩側(cè)設(shè)置了一對梯形結(jié)構(gòu),利用慣性將粒子聚焦后再進行介電泳分離,提高了芯片的分離效率,避免了樣本濃度的稀釋,并且利用介電性質(zhì)不同對粒子分離,對粒子的尺寸、密度沒有要求,可以廣泛的用于不同種類細胞、微粒的連續(xù)高效的分離。

[1] Srinivasan V,Pamula V K,Fair R B. An Integrated Digital Microfluidic Lab-on-a-Chip for Clinical Diagnostics on Human Physiological Fluids[J]. Lab on a Chip,2004,4(4):310-315.

[2] Zeng J,Korsmeyer T. Principles of Droplet Electrohydrodynamics for Lab-on-a-Chip[J]. Lab on a Chip,2004,4(4):265-277.

[3] Balslev S,Jorgensen A M,Bilenberg B,et al. Lab-on-a-Chip with Integrated Optical Transducers[J]. Lab on a Chip,2006,6(2):213-217.

[4] Huang S B,Wu M H,Lin Y H,et al. High-Purity and Label-Free Isolation of Circulating Tumor Cells(CTCs)in a Microfluidic Platform by Using Optically-Induced-Dielectrophoretic(ODEP)Force[J]. Lab on a Chip,2013,13(7):1371-1383.

[5] Doh I,Cho Y H. A Continuous Cell Separation Chip Using Hydrodynamic Dielectrophoresis(DEP)Process[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2005,121(1):59-65.

[6] Li P,Mao Z,Peng Z,et al. Acoustic Separation of Circulating Tumor Cells[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,2015,112(16):4970-4975.

[7] Yamada M,Nakashima M,Seki M. Pinched Flow Fractionation:Continuous Size Separation of Particles Utilizing a Laminar Flow Profile in a Pinched Microchannel[J]. Analytical Chemistry,2004,76(18):5465-5471.

[8] Smistrup K,Hansen O,Bruus H,et al. Magnetic Separation in Microfluidic Systems Using Microfabricated Electromagnets—Experiments and Simulations[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials,2005,293(1):597-604.

[9] Kang K H,Kang Y,Xuan X,et al. Continuous Separation of Microparticles by Size with Direct Current-Dielectrophoresis[J]. Electrophoresis,2006,27(3):694-702.

[10] Huang L R,Cox E C,Austin R H,et al. Continuous Particle Separation Through Deterministic Lateral Displacement[J]. Science,2004,304(5673):987-990.

[11] Markx G H,Pethig R. Dielectrophoretic Separation of Cells:Continuous Separation[J]. Biotechnology and Bioengineering,1995,45(4):337-343.

[12] Markx G H,Huang Y,Zhou X F,et al. Dielectrophoretic Characterization and Separation of Micro-Organisms[J]. Microbiology,1994,140(3):585-591.

[13] Yu L,Iliescu C,Xu G,et al. Sequential Field-Flow Cell Separation Method in a Dielectrophoretic Chip with 3-D Electrodes[J]. Journal of Microelectromechanical Systems,2007,16(5):1120-1129.

[14] Iliescu C,Xu G L,Samper V,et al. Fabrication of a Dielectrophoretic Chip with 3D Silicon Electrodes[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering,2005,15(3):494-500(7).

[15] Tay F,Yu L,Pang A J,et al. Electrical and Thermal Characterization of a Dielectrophoretic Chip with 3D Electrodes for Cells Manipulation[J]. Electrochimica Acta,2007,52(8):2862-2868.

[16] J G K,M T W L,M A S,et al. Continuous Dielectrophoretic Size-Based Particle Sorting[J]. Analytical Chemistry,2006,78(14):5019-25.

[17] Doh I,Cho Y H. A Continuous Cell Separation Chip Using Hydrodynamic Dielectrophoresis(DEP)Process[J]. Sensors and Actuators A Physical,2005,121(1):59-65.

[18] Kim U,Qian J,Kenrick S A,et al. Multitarget Dielectrophoresis Activated Cell Sorter.[J]. Analytical Chemistry,2008,80(22):8656-61.

[19] Rakow A L,Fernald D. Concentration of Spirulina,Suspensions by Radial Migration with Flow Through Vertical Tees[J]. Biotechnology Progress,2003,7(4):343-347.

[20] Bhagat A A S,Papautsky I. Enhanced Particle Filtration In Straight Microchannels Using Shear-Modulated Inertial Migration[J]. Physics of Fluids,2008,20(10):101702-101702-4.

[21] Di Carlo D,Irimia D,Tompkins R G,et al. Continuous Inertial Focusing,Ordering,and Separation of Particles in Microchannels[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences,2007,104(48):18892-18897.

[22] 陳慧英,韓萍,王斌,等. 介電泳芯片的研制及不同細胞介電分離的應(yīng)用[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報,2010,23(6):757-763.

[23] Park J S,Jung H I. Multiorifice Flow Fractionation:Continuous Size-Based Separation of Microspheres Using a Series of Contraction/Expansion Microchannels[J]. Analytical Chemistry,2009,81(20):8280-8288.

[24] Park J S,Song S H,Jung H I. Continuous Focusing of Microparticles Using Inertial Lift Force and Vorticity Via Multi-Orifice Microfluidic Channels.[J]. Lab on A Chip,2009,9(7):939-48.

[25] Li H,Bashir R. Dielectrophoretic Separation and Manipulation of Live and Heat-Treated Cells of Listeria on Microfabricated Devices with Interdigitated Electrodes. Sens. Actuators B 86,215-221[J]. Sensors and Actuators B Chemical,2002,86(2-3):215-221.

[26] Qian C,Huang H,Chen L,et al. Dielectrophoresis for Bioparticle Manipulation[J]. International Journal of Molecular Sciences,2014,15(10):18281-18309.

[27] 張洋,張曉飛,白國花,等. 用于細胞排列的介電泳微流控芯片制備與實驗研究[J]. 分析化學(xué),2014(11):1568-1573.

[28] 方明. 粒子連續(xù)分離介電泳微流控芯片的研究[D]. 太原:中北大學(xué),2016:26-27.

Continous Particles Separation of the Dielectrophoresis-Based Microfluidic Chip with Inertial Focusing Structure*

ZENG Yixiao1,2,FANG Ming2,FAN Lei1,2,WU Fei1,2,TAN Qiulin1,2*,SUN Dong1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,Taiyuan 030051,China2.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China)

A dielectrophoresis microfluidic chip with inertial focusing structure was designed and fabricated to realize the continuous separation of particles with different dielectric properties. The dielectrophoresis microfluidic chip was fabricated by MEMS:a pair of trapezoidal structures is provided at the inlet side walls of the channels to allow the passing particles to be focused by inertial lift forces on either side of the channel. At the bottom of the channel,a set of tilted interdigitated electrodes with an included angle of 90 ° were etched to produce a non-uniform electric field. By using the force of the dielectrophoretic force and the fluid drag force,the different particles on both sides of the channel are deflected into different channels at different angles so as to realize the separation. Saccharomyces cells and polystyrene beads were used as experimental samples. The effects of flow rate and AC voltage on the separation were analyzed. The optimal conditions for the separation of the two were determined and the separation was carried out. Experimental results show that the yeast cell is discharged along the channel center at the angle between the electrode and the electrode. Polystyrene beads are discharged along the side of the channel. A sample solution with a conductivity of 20 μS/cm was injected into the channel at a flow rate of 5 μL/min. Applying 6 Vp-p,10 kHz sine signal. The average separation efficiency reached 92.8% and the purity reached 90.7%.

dielectrophoresis;inertial focusing;microfluidic chip;continous separation

曾一笑(1990-),女,碩士,主要研究方向為微流控芯片,15135164475@163.com;

譚秋林(1979-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為光學(xué)氣體傳感器、無線無源微納傳感器,tanqiulin@nuc.edu.cn。

項目來源:山西省基礎(chǔ)研究項目(2014011021-3)

2016-10-17 修改日期:2016-12-27

O652

A

1004-1699(2017)05-0667-07

C:O652

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.006