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交流式-介电电泳芯片(AC- DEP Chip)分离原理介绍

在直流介电电泳中,电场会以焦耳热的形式产生功率损耗,相应的温度变化可能会对细胞生理状态产生负面影响。目前己知较高的温度(高于细胞生理温度4℃以上)将导致细胞迅速死亡。而在细胞内,细胞动力学过程和温度呈指数关系,所以很小的温度漂移也可能对细胞生理状态造成影响。目前关于诱导细胞响应所需要的最小的温度漂移还不清楚。所以实验中必须尽力减小化温度漂移。通常认为保持温度变化<1℃是可以接受的,这个温度变化和体内温度变化相近,不会对细胞有明显影响。而交流电在降低功率损耗方面具有相当的优势,这就使得交流式-介电电泳在分离研究中较直流式-介电电泳具有更广阔的应用。

(1)信号频率恒定的介电电泳芯片信号频率恒定的介电电泳是最简单、最基本、最早研究的介电电泳形式。其特点是使用两相相位相反的交流信号,形成非均匀电场,使细胞在非均匀电场中产生感应偶极矩,从而受到介电电泳力的作用。根据细胞和悬浮液介电性质的差异,细胞将向电场中电场最强(pDEP)或者最弱的地方运动(nDEP)。利用微加工技术,现已设计制作出多种具有确定电场分布的信号频率恒定的介电电泳芯片,电极的形状主要有多项式函数形、正弦函数形、城堡形以及可单独寻址的圆形电极阵列等。

信号频率恒定的介电电泳芯片

2005年,韩国的Doh等报道了一种可连续分离细胞的微流控芯片(图8),在该芯片流路的底部或者通道侧壁配置电极,施加恰当的交流信号,当混合样品流过分离通道的时候,一种细胞受正向介电电泳作用从而产生一个与流路垂直的远离原混合流体中心位置的横向偏移量,随着流动的持续,这种横向偏移量会越来越大,细胞将从出口1流出;而另一种细胞受负向介电电泳作用,则仍按原轨迹运动,从出口2流出。Doh等使用该方法进行了活、死酵母细胞的分离,由于缺乏对流体力与介电电泳力共同作用于样品体系时受力情况的深入讨论,采用该介电电泳芯片在出口处收集的酵母菌纯度低于80%。

信号频率恒定的介电电泳芯片是使用非常广泛的一种微流控芯片,该芯片对信号要求较低,只需选择使两种细胞分别处于正、负介电电泳的频率即可完成分离,如果需要高精度的实验结果,需考虑流场的影响。在条件不足的情况下,使用寻常的信号发生器也可以勉强用于实验,对信号源的依赖性较小,但是为了获得更好的分离效果,信号源的带负载能力是不能忽视的指标。

(2)行波介电电泳芯片(Travelingwavedielectrophoresis,twDEP)与信号频率恒定的介电电泳不同,行波介电电泳一般采用四相交流信号,相邻电极之间施加的信号相位差为90°。该方法一般通过在一系列线性排列的电极上施加上述交流信号,构建一个空间行波电场,其相位沿着电极排列的方向变化。当细胞处于这样的电场中时不仅会受到由于电场强度分布不均匀产生的介电电泳力,即常规介电电泳力;同时也会受到由于电场相位分布不均匀而产生的介电电泳力,称为行波介电电泳力。细胞在行波介电电泳力作用下的运动称为行波介电电泳。此处需注意的是,使用公式(1)计算行波介电电泳力并不合适,因为常规的介电电泳所用交变电场的频率和相位是固定值,然而行波介电电泳的相位不固定,需使用更为复杂的计算方法。

行波介电电泳分离细胞微流控芯片

最早开展这方面研究的是Masuda研究小组,他们于1980年代后期报道了在同步移动电场的作用下可以实现细胞与电场一起运动。Fuhr及其合作者发展了他们的工作,研究了twDEP与电旋转原理上的相似性,并提出了“异步”行波介电电泳的概念和具体实施方案[62]。目前,已有多种电极形状和尺寸不同的行波介电电泳芯片被设计出来。如图9所示,图中电极宽度与间距均为20#m,电极与流动方向平行,在不同电极上施加不同相位(相位相差90°)的信号产生twDEP力,不同细胞或颗粒在twDEP作用下的侧向运动速度存在差别,最终,在twDEP作用下使颗粒产生垂直于流动方向的运动,达到很好的空间效果[33]。行波介电电泳芯片对于信号要求较高,且电极分布需合理,理论较常规介电电泳较为复杂,但对于多种(大于两种)细胞或者微粒的具有较为明显的优势,分离精度较高。

在分离操作中,外加电场信号是介电电泳分离活动的核心因素,是分离活动成功与否的关键,因此,针对不同的芯片结构,不同的分离目标以及对分离速度要求等因素的考虑,选择合适的电场信号,能够有效地提高分离效率。此外,除了外加信号的不同以外,流体的流动作用不可忽视,流体流动除了能推动细胞向分离区域流动外,还可改变细胞与电极之间的相对位置,对分离过程影响很大。单纯依靠电场DEP作用只能在小范围内对细胞进行操纵,想要分离过程满足高通量和高效率,引入其它物理场是常采用的技术手段。现阶段大多数研究人员认为多物理场之间是互不影响的,但事实却并非如此。