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基于电极优化的介电电泳分离芯片


在基于介电电泳的细胞分离研究中, 电场梯度同样是影响细胞 DEP 作用的重要因素。不同于使用实验室离心机通过离心机的离心力进行固液分离,微流控芯片上的非均匀电场主要是由电极产生的, 所以电极的形状和分布对 F DEP 的分布具有决定意义。芯片电极的分类方法比较多, 没有统一标准。如按照电极形状可分为叉指电极、 城墙状电极、 螺旋电极、 对电极等;按照电极的分布可分为底部电极、 侧壁电极、 和空间电极等, 其中侧壁电极还可分为单侧电极、 双侧电极等;按照电极的材质和制作工艺可分为金属电极、 碳电极、 复合电极等;按照电极的配置方式可分为二维平面电极、 三维立体电极等。本文将按照电极的结构将电极分为阵列式电极、 环状电极、 柱状电极和不规则电极等类型。
阵列式电极
阵列电极分离芯片的设计思路是通过在微流控芯片上集成阵列化微电极(不同或同种结构), 实现大量生化样品的在线分离和富集。电极的形状、 大小和位置直接影响非均匀电场的分布, 而电极的厚度则影响芯片的键合和系统的集成化。等对平面交错式阵列电极设计的DEP 芯片(图 3a)采用多物理量耦合分析软件(FEMLAB)进行仿真, 计算了图 3b 中右上角所示电极结构的电场分布。电极阵列中高电场区域始终位于电极边缘处, 该处适合做正介电电泳运动的细胞实现富集。在电极的宽度和间距相等时, 低电场区域出现在电极的中心位置和相邻电极的中心线位置, 且场强相等;如果电极的宽度大于电极的间距, 则低电场区域集中于电极平面的中心线位置;如果电极的宽度小于电极的间距, 则低电场区域集中于相邻电极间距的中心线位置, 在该处适合作负向介电电泳的细胞实现富集。设计的芯片管道高度不到 100 m, 在 2 V 和 2 MHz 的电信号条件下, 能够保证99%的捕获效率, 从而实现心肌细胞的正介电电泳分离和富集。
阵列式电极以其独特的结构, 具有很多优点:可在有限的区域内分列排布大量电极;适用于高通量的分析检测要求, 分离效率高且速度快。但阵列式电极对电极加工工艺和流程要求较高, 电极间隙和相邻电极间的距离有较为严格的要求, 在设计芯片时, 应先根据适用对象和目标使用数值模拟软件得到其最佳的物理分布位置。
环状电极
随着介电电泳技术的发展, 单纯的针状或者对状电极已经不能满足实验的需要。而且, 随着分离的细胞种类多样化, 对电场梯度的要求也越来越高。因此, 一些新型电极, 如环状电极被设计出来(图 4) 。环状电极的特点在于其电极形状不是传统的城墙形状或者叉指形状, 而是根据实验对象灵活多变, 大多比较复杂,电极曲线比较光滑, 如常见的螺旋电极。
柱状电极
在介电电泳分离芯片中, 常用的二维电极具有许多局限性, 而且加工工艺复杂。传统芯片微电极是厚度为几百纳米的金属薄膜平面电极, 其加工方法是在采用电镀或溅射的方法在基片上形成特定图案的金属电极, 对于过量的部分利用剥离、 蚀刻, 结合某些特殊的光刻加工工艺去除。
但二维电极产生的电场随着粒子距电极表面距离的增加而呈指数型衰减 [47 ] , 这意味着部分粒子由于距离电极较远, 受到电场的作用微弱, 而无法实现有效控制。
为了解决上述问题, 近年来越来越多的芯片采用双侧平面电极或三维电极来产生三维电场。
阵列式电极
图 3 阵列式电极 [42 ]
Fig. 3 Array of electrodes [42 ]
a. 电极结构(Electrode structure); b. 电场仿真(Simulation of field)。
环状电极
图 4 环状电极 
Fig. 4 Ringlike electrodes 
(a) 螺旋电极(Picture of spiral electrodes); 
(b) 同心环电极(Picture of concentric electrodes)。
与二维电极相比, 三维电极的鲁棒性更好, 可承受的电流密度更大, 且在电流热效应作用下产生的焦耳热较平面电极小, 在平面电极发展的同时, 三维电极以其空间的电场分布优势, 需要电压小且捕捉更牢靠的优势吸引了人们的视线。三维电极中常采用柱状电极, 其使用频率较高, 加工难度较小, 分离效果较好。
Hunt 等设计并制作了圆柱状电极微流控芯片(图 5a), 每个柱状电极由单独的引线供电, 故可在同一芯片区域选择不同幅值、 频率和相位的信号配合使用, 使该电场区域适合进行介电电泳分离活动。
Iliescu 等设计并制作了三维正方体柱状电极细胞分离微流控芯片(图 5b), 与 Hunt 等的圆柱形电极相比, 此电极截面为正方形, 通过数值仿真可以看出正方形的 4 个顶点处电场梯度值最高, 在介电电泳作用下, 细胞吸附能力最强, 较圆柱形电极的分离、 富集效果更好, 将其用于分离活、 死酵母细胞的分离精度 95%。
当然, 柱状电极只是三维电极的一个典型代表, 三维电极作为近几年来热门的研究话题, 其发展速度也是日新月异, 各种形状、 各种材质的三维电极已经多次报道。
三维电极
图 5 三维电极
Fig. 5 Three- dimensional (3D) electrodes
(a) 圆柱状电极(Picture of columnar electrodes); (b) 正方体柱状电极、 电场仿真图(Picture and the numerical
simulation of electric field of the cubic electrode)。

不规则电极
在介电电泳分离技术中, 电极的设计占据了相对重要的地位。
由于分离目标的多样化, 导致了电极形状和结构的多样化。除了前面介绍的几种常规电极, 很多非
常规的不规则电极也在使用。Hoettges 等发展了拉链状环形电极(图 6a), 并使用其进行了孢子的富集和分离, 实验观察到孢子聚集在拉练环状的中心处, 在该装置中, 孢子受到 nDEP 作用。Malnar 等设计的条状电极尖端有三角形弯折(图 6b), 使得一种微粒被捕捉在电极处, 而另一种微粒随着流体的拖曳力流出。Gonzalez 设计了可分别加信号的棘齿状电极(图 6c), 成功进行了铁磁矿物粒子和聚苯乙烯颗粒的捕捉和分离, 分离效率高。Pethig 等设计了波浪形电极阵列, 利用多重介电电泳和行波介电电泳的重叠, 使得微粒达到分离目的(图 6d)。除了上述不同电极形状之外, 还有糖葫芦状、 叉指电极等各式电极, 其设计思路与分离对象也各不相同。
各种不规则电极
图 6 各种不规则电极
Fig. 6 Different kinds of irregular electrodes
(a) 拉链环状电极(Zipper annular electrodes) 
(b) 弯折三角形电极(Bending triangle electrodes); 
(c) 棘齿状电极(Ratchet electrodes); 
(d) 波浪形电极(Undulating electrodes)。
以上分类是从电极形状上考虑的, 不能包含所有报道过的微电极, 这是因为电极分类方法较多, 分类标准不统一。在考虑芯片上微电极的设计时候, 应当从实验目的和实验对象出发, 综合电极形状、 电极厚度、 加工难度以及组装集成的难度等方面来考虑。二维平面电极已经广泛应用于各种微流控芯片中, 最近几年三维电极以其独特的空间电场分布优势正在逐渐扩展到微流控芯片的各个领域, 是微电极发展的主要方向与趋势之一。