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基于细胞尺度效应的介电电泳分离芯片

区别于普通情况下使用实验室离心机对细胞进行分离,当细胞的尺寸从几微米到几十乃至上百微米, 对于不同尺寸的细胞,在非均匀电场中, 所受到的介电电泳力 FDEP与细胞半径 r 的三次方成正比,因此可以利用此原理进行细胞分离。下面介绍几种利用此类方法进行分离的微流控芯片。
DEP 与 Field-Flow-Fractionation( FFF) 联用法分离芯片
根据层流理论, 在微管道中流动的液体流层与管壁、 流层与流层之间的粘性力导致管壁处流层流速最低, 管轴处速度最大, 且越靠近管轴处速度越大,速度与管轴处的距离成抛物线分布。Wang 等发展了基于 DEP 力场的流动分离方法( 图 1) ,当流场以图示方向流动时,电极阵列置于流道的底部,形成非均匀电场,通过选择合适的频率使细胞受 nDEP 力作用,而 nDEP 力将把颗粒推离流道底部; 颗粒最终的位置取决于 DEP 力在垂直方向上的分量 FDEPz与颗粒重力及浮力合力 Fsed的平衡关系。由于 DEP 力与颗粒半径成正比, 不同尺度的颗粒将承受不同的 DEP 力,它们在垂直方向的平衡位置( h1 和 h2 ) 也会同。不同的颗粒将分别处于抛物线
速度剖面的不同层, 由此具有不同的移动速度( v1 与 v2 ) 。当在管内流动一段时间和距离之后, 各尺寸不同的粒子就会在距离上产生差异,此时在管口分时收集就可达到分离不同种细胞或者微粒的目的。
DEP-FFF 细胞分离微流控芯片
图 1 DEP-FFF 细胞分离微流控芯片
Fig. 1 Dielectrophoresis-field-flow-fractionation ( DEP-FFF) cell separation microfluidic chip
DEP 与曲率诱导联用法分离芯片
Zhu 等 在 2011 年提出了一种介电电泳细胞分离芯片。该芯片在蛇形通道内使用曲率诱导介电电泳, 成功地用于分离酵母菌和 3 #m 尺寸的聚苯乙烯颗粒( 图 2) ,分离效率高达 95% 。该芯片由 4 个流通池和连接流通池的蛇形分离通道构成( 图 2a) 。其工作原理如图 2b 所示: 混合样品( 颗粒) 从 A 口流入, B 口流入缓冲液。当混合微粒运动到转弯位置的时
候,选择合适的频率使白色颗粒 CM 因子为负,蓝色颗粒 CM 因子为正,这样在转弯时蓝色颗粒由 pDEP产生的向心力继续留在内侧流层中,而白色颗粒受到 nDEP 作用向外侧流层偏移, 这样经过数十个蛇形转弯通道的曲率诱导介电电泳作用积累, 使白色颗粒在外侧流层中, 蓝色颗粒留在内侧流层。在出口处,在外侧流层中的白色颗粒从 C 口流出,在内侧流层中的蓝色颗粒从 D 口流出, 达到分离的目的。研究人员借助 Comsol 模拟( 图 2c 和 2d) 其分离过程,结果显示,借助曲率诱导介电电泳效应, 能够对细胞尺寸不一和 CM 因子不同的两种细胞进行分离。
该类分离芯片可用于对介电电泳极性相反( 一种为 pDEP, 另一种为 nDEP) 的细胞进行分离, 分离精度较高,操作简便,但缺点是只能分离两种细胞或者微粒,且需实验前需测得两种细胞或者微粒的正-负介电电泳临界频率。
细胞半径是标志细胞大小的参数, 常用作细胞分选的特征参数。介电电泳力 FDEP 与细胞半径 r的三次方成正比,使得基于介电电泳和细胞尺寸差异的分离方法更容易得以实现。与尺寸相关的 DEP分离方法也常与其它方法联合使用, 如 DEP 与超声联用、 DEP 与磁场联用、 DEP 与光镊技术联用等 ,在此就不一阐述。此外,基于细胞尺度效应的介电电泳分离芯片在某些方面亟需改进: ( 1) 在理论和仿真研究中,细胞模型的建立还有待进一步完善。由于大多数细胞是球型,因此在进行理论仿真时候常把细胞看作是双层球壳,但事实上很多细胞是长条状、 棒状或者其它不规则形状。( 2) 在实际样本中,细胞( 粒子) 间的区别低于实验中选取的特定样本, 也就是说, 当两种细胞在尺寸、 形状上具有一定的相似性时,对于这类性质差别不大的分离对象, 还需进一步提高介电电泳的分辨率。而且, 对于植物细胞而言,细胞壁的存在也会使细胞理论模型和实际情况有所区别。