基于新型3D电极的介电泳微粒分离微流控芯片分析

张正涛 何玮琪

摘 要：在食品安全、环境监测、生化分析以及疾病诊断等领域，微粒分离发挥着非常重要的作用。而其中，针对微流控芯片采用介电泳分离技术，与色谱分析法、离心法以及荧光筛选法等传统技术相比，以容易集成、消耗样片量少、较短时间分析等优势，在微粒分离方面，已成为新兴手段。

关键词：微粒分离；3D电极；微流控芯片

常规情况下的介电泳分离，因电极与PDMS结构难以实现封装，介电泳技术将芯片分离的集成化发展也因此受阻。针对此，笔者在易于封装的新型电极的基础上，简单对介电泳分离微粒的原理作了分析，并在3D微电极阵列的基础上架构了微粒的分离系统。

1 在微流控分离的芯片中如何进行微粒分离

1.1 基于微粒尺寸进行分离

如图1所示，假设浅色和深色的微粒半径不同，浅色半径稍大。首先，不同微粒的混合液从A支路进入主通道，缓冲液从支路B进入。由于主通道内悬浮液流速小于缓冲液流速，浅色与深色的微粒在主通道内便在缓冲液的压迫下移向通道的下侧。电极上无电信号，微粒便随混合液从D支路流出；有电信号时，三维交流电场会在主通道内产生，微粒进入电场后，在负介电泳力的影响下，粒子便会偏转，且偏转方向靠近y轴正方向。由于该力强度与微粒体积大小成正比，因此浅色微粒受力更大、偏转更明显。当偏转使其移动进入上半部分层流，微粒会从C支路流出；深色的颗粒因体积较小，仍然在下半部分层流，便从D流出。这样，分离便得以实现。

1.2 依据颗粒介电性质进行分离

假设图中深色粒子受正介电泳作用，浅色粒子受负介电泳作用。当无电信号时，二者均从D支路流出；但是，当有电信号时，浅色粒子因负介电泳力的影响远离电极，深色则靠近电极。电信号达到一定强度时，C支路会流出浅色粒子，此时，深色粒子有两种可能性：从D支路流出，或被吸到电极上。若是后者，电信号被去掉后仍然会从D流出，对分离没有任何影响。

2 针对微粒分离微流控芯片的设计

据微粒的分离原理，不同粒子在不均匀电场中所受介电泳力不同，运动轨迹也因此不同，从而实现粒子的分离。因此，设计微流控芯片，要力求以下几点：分离过程连续；非均匀电场中通道的方向和高度统一；密封良好不致流体泄露；便于观察。

基于上述条件，一种3D电极的、结构有三层的分離芯片应运而生。其电极为AgPDMS导电材料，其中，顶层为PDMS通道，中间层为3D电极，底层为ITO基底层。芯片整体长90毫米，宽60毫米。主通道通过支路与4个溶液池相连，溶液池的圆孔直径7毫米。主通道侧壁有3D电极，其高度等同于通道的高度，这可以有效地保证在通道的方向上、高度上，电场一致。

该芯片的结构中，ITO玻璃在经过刻蚀后，形成基底层。ITO玻璃，表面沉积着氧化铟锡，氧化铟锡会受刻蚀剂作用溶解。在光刻技术的处理下，ITO被刻蚀形成导线，对3D电极与外部信号源进行连接。中间层即3D电极层，其底端和ITO导线连接，将ITO导线传递的电信号在接受后施加于主通道，使主通道内部有不均匀电场形成。为确保分离芯片有足够好的密封度，3D电极的侧面及顶端，都和PDMS完美键合。

3 制作和封装微粒分离芯片

不同于传统的、在二维电极下进行的微流控芯片的加工，该芯片在加工时，各层芯片的连接和制作三维电极是保证其符合设计要求的重要因素。加工时，ITO导线的制作、3D电极的制作以及PDMS通道的制作，要经历三次光刻，每次光刻使用不同掩膜。为保证每层中元件位置，每次进行加工，务必将掩膜对准。掩膜对准的程度与芯片质量密切相关，为确保每层间连接良好，采用了化学键合、热键合两种方式进行连接。在PDMS通道与基底和3D电极的键合中，使用化学键合；在ITO导线和3D电极的键合中，应用热键合。

分离芯片有着如下加工流程：加工ITO基底层；制备3D电极；制作PDMS通道和每层的对准、装配。

该芯片封装前，主要包括有3D电极的ITO基底和PDMS通道两部分。所谓封装，即对齐二者并键合到一起。其主要操作过程如下：首先进行等离子处理，即把PDMS通道和有3D电极的ITO基底放入等离子机腔室，并使其正面朝上，进行抽真空处理，使其位于真空环境内。然后，进行对准，在基底的电极处，使用移液器滴注一滴纯净水，通过纯净水的润滑作用，使得未对准时通道与ITO基底不致于键合。在工作台上进行目测对准后，放入显微镜下，进行微调。最后，进行键合。对准后把芯片放入真空釜，使基底与PDMS通道键合。再将芯片在80度左右的恒温箱内放置30分钟，使键合效果加强。

4 研究关于微粒分离微流控芯片的实验

作者选取了直径为4μm和12μm的微粒进行分离实验。分离不同颗粒时，获得使颗粒分离的临界电压至关重要。所谓临界电压，既保证一种粒子能够在下侧支路流出，而另一种粒子则在上侧支路上流出的电压值。分离时，首先从入口A将两种粒子混合液通入主通道内，然后从入口B处通入缓冲液，在缓冲液的压迫下粒子运动方向沿着通道下侧，直至从D处流出。待微通道内，流体的流速趋于稳定，在3D电极处施加电信号，观察微粒运动状态。当电压低于48V时，两种粒子都有偏转，12μmPS粒子偏移量比4μmPS粒子要大一些。但是经过观察，两种粒子仍然都从D处流出，表明电压不足分离临界值。当电压达到48V时，可以明显看到粒子偏转幅度较大，4μmPS粒子从支路下侧的D处流出，12μmPS粒子从支路上侧C处流出，说明48V是临界电压。如果电压继续增大，粒子偏移也会接着增大，当电压值达到72V时，12μmPS粒子从支路上侧流出，大部分4μmPS粒子从支路下侧流出，但是有部分流到了上侧。这说明实际电压大于临界电压时分离效果并不好。

5 结束语

作者根据自身掌握的微流控芯片技术，并结合交流电场中，中性粒子的介电泳现象，对微流控下的微粒分离芯片进行了制作，使得不同微粒得以分离。

参考文献

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