基于光诱导介电泳技术的粒子分离研究

孙路静,杨文广,褚洪汇

(烟台大学机电汽车工程学院,山东 烟台 264005)

粒子分离在诊断、化学和生物分析、食品和化学加工以及环境评价等方面具有重要意义,尤其是在生物医药领域,粒子分离技术不仅可应用于癌细胞的诊断,还可应用于新药品的研发与检测,所以研究高效高通量的粒子分离技术是发展这些领域的关键。

粒子分离方法的研究很多,总体来说可以将现有的粒子分离方法分为两大类:主动分离方法和被动分离方法[1-6]。被动分离方法包括微观结构过滤法、确定性侧向位移法和惯性分离法,它主要是指利用分离装置的微观结构和粒子的本身物理特性(粒子尺寸,形状和可变形性)进行粒子分离。这一类方法不受外部物理场的干预,装置结构简单,通量大；并且由于被动分离主要是利用粒子的物理差异来分离粒子的,所以对粒子的差异具有很高的敏感性,可以应用于细胞的分离,但是被动分离装置很容易发生堵塞,分离纯度较低,影响分离的因素较多。主动分离是指在分离装置中施加外部物理场,通过外力的干预来增强粒子分离效果。目前应用于主动粒子分离的外部物理场有声场、光场、磁场和电场等,分离方法包括介电电泳控制分离、声场控制分离、磁场控制分离等。主动分离方法对粒子或者细胞的可操作性较强,能够在很大程度上提高粒子的分离纯度和分离效率,但是由于对分离装置的要求较高以及对粒子或者细胞可能会产生危害等局限性限制了这类分离方法的发展。

为了实现粒子的快速有效的分离,本文提出了一种基于光诱导介电泳技术的粒子分离方法,该方法将光诱导技术与介电泳技术相结合,采用动态虚拟电极对粒子进行分离操作。本文对圆环形光斑电极的电场进行了仿真,并通过实验验证了粒子分离的仿真结果。光诱导介电泳技术既能实现对粒子的复杂操纵,又具有无损伤的优点,发展前景广阔。

1 技术原理

1.1 介电泳技术的基础理论

利用介电泳技术分离粒子的原理是指在非均匀的电场中,不同介电性的粒子被极化后所受的介电泳力大小、方向不同,从而使不同的粒子偏移到不同的方向以实现粒子分离。根据粒子的运动方向的不同,介电泳力又分为正介电泳力和负介电泳力。其中受正介电泳力的粒子会朝着强电场方向移动,反之,受负介电泳力的粒子会朝着弱电场方向移动[7-11]。

介电泳力的计算模型为

(1)

(2)

(3)

图1 受不同介电力的粒子移动方向

1.2 光诱导介电泳的工作原理

在运用介电泳技术分离微粒子或者细胞的传统方法中,介电泳力的产生依赖于非均匀电场,而非均匀电场的产生则依赖于各种形状不一的光刻金属电极。在光诱导介电泳技术中,利用不同的光照图形与半导体光敏材料形成的虚拟光电极便可以产生非均匀电场[12-13]。其中,光电导材料一般选用氢化非晶硅,这种材料在没有光照的情况下电阻极高,当有光照射的时候,会在材料中产生大量的载流子,从而使电导率提高。

光诱导介电泳芯片结构分为三部分,自上而下依次为导电玻璃层、液体层和光电导层。光电导层是产生非均匀电场的区域,它是由底部的透明玻璃、中间层的透明导电材料以及上层的光导材料三部分组成的。液体层是具有待操作粒子的液体,也是进行粒子分离操作的主要区域。氧化铟锡玻璃由于其具有良好的透光性和低电阻率通常被用来做导电玻璃。光诱导介电泳芯片的具体结构如图2。

图2 ODEP芯片结构

2 仿真与实验

2.1 空间电场的建模仿真

为了进一步对光诱导介电泳技术进行研究,本文运用COMSOL Multiphysics软件进行建模仿真,仿真粒子捕获结构的电场分布、电场平方梯度分布以及粒子所受的介电泳力,分析该技术的可行性,并为下一步的实验做准备。

本文研究的是圆环光电极对单个粒子的捕获模型,其模型结构如图3。在这个空间模型中,液体层高度为100 μm,底部圆环是光电极的形状。在本次的仿真中,我们设置了3种不同的圆环半径,分别为20 μm、40 μm和60 μm。除了研究圆环光电极的电场分布和对粒子产生的介电泳力外,还研究了不同尺寸的圆环的电场分布,以便实现对粒子的精确操作。

图3 空间仿真模型

2.2 圆环状光斑建模与仿真

本文首先对圆环光电极捕获单个粒子时的电场分布情况进行仿真,以验证理论可行性,为实验提供参考数据。

首先对圆环光电极产生的电场分布进行研究,仿真结果如图4。图中颜色深浅代表电场强弱,颜色越红电场强度越大,最大值可达6×105V/m,箭头的方向代表处于其中的粒子所受的介电泳力的方向。仿真结果表明:圆环光电极可以形成一个三维的非均匀的空间电场,处于圆环平面中心处的电场强度最弱,距离圆环光电极边缘越近电场强度越大;粒子所受的介电泳力的方向是从电场强的区域指向电场弱的区域,即粒子受负介电泳力。由于圆环中心的电场强度最弱,圆环光电极产生的介电泳力都指向圆环的中心,从而形成一个势阱,可以将粒子控制在圆环中心,当圆环移动的时候,处于其中的粒子将随圆环一起移动。

图4 不同半径的圆环光电极产生的电场分布

从图4可以看出,3种不同半径的圆环光电极均可形成势阱,将粒子控制在其中。为了研究圆环光电极产生的介电泳力的大小,我们对这3种不同半径的圆环光电极产生的电场平方梯度进行仿真,其结果如图5。图中颜色深浅代表电场平方梯度值的大小,颜色越红电场平方梯度值越大。由介电泳力计算公式可知,在粒子半径一定的情况下,介电泳力的大小与电场平方梯度成正比。因此,圆环中心处的介电泳力最小,越靠近圆环边缘,介电泳力越大,从而可以将粒子控制在圆环光电极形成的势阱中。

图5 不同半径的圆环光电极产生的电场平方梯度分布

从电场平方梯度的分布图中,我们可以看出介电泳力的大致分布情况,但是无法看出具体的数值。所以,我们用一维曲线图将仿真模型中一个水平面的电场平方梯度的具体数值描绘出来,以此来反映粒子所受的介电泳力的具体数值,结果如图6。从曲线图中可以看出,圆环光电极产生的介电泳力的幅值出现在光电极的边缘位置,处于圆环中心位置的介电泳力最小,其具体数值趋近于0。对于不同半径的圆环电极来说,半径为40 μm的圆环光电极产生的介电泳力幅值最大,幅值最小的是半径为20 μm的圆环光电极产生的介电泳力。

图6 不同半径的圆环光电极在同一水平位置产生的介电泳力大小变化情况

上述仿真结果表明,圆环光电极可产生一个三维的非均匀电场空间(图7)。在这个非均匀的电场中,圆环光电极边缘位置的电场强度最大,圆环中心处的电场强度最小。圆环光电极产生的负介电泳力在圆环边缘处最大,距离边缘处越远,介电泳力越小,而在圆环中心处的介电泳力最小。因此,圆环光电极可在圆环中心处产生势阱将粒子控制其中,使得粒子随圆环的移动而移动,可实现对粒子的分离操作。对于仿真的3种不同半径的圆环光电极来说,半径为40 μm的圆环光电极效果更加显著。

图7 介电泳力的三维空间仿真

2.3 实验验证

通过仿真得出的结果(图8)可知,利用圆环光电极分离粒子具有可行性,下面将采取实验对结果进行进一步的验证。将直径20 μm和直径2 μm的聚苯乙烯小球混合在电导率为1×10-3S/m的溶液中,将圆环形光束照射光诱导介电泳芯片表面,并通过信号发生器施加交流电压(频率为70 kHz,幅值为20 V)。此时,20 μm的聚苯乙烯小球在负的介电泳力作用下受到光斑的排斥作用,向圆环光斑的中心移动,而2 μm聚苯乙烯小球由于正的介电泳力受到光斑的吸引作用,向光斑明亮区域移动。继续缩小圆环光斑直径,会发现20 μm的聚苯乙烯小球紧密聚集在圆环光斑的中心位置,而2 μm聚苯乙烯小球则因吸引作用分布在光斑的明亮处。

图8 通过光诱导介电泳技术分离20 μm和2 μm聚苯乙烯小球的实验过程

3 结 语

研究了一种基于光诱导介电泳技术的粒子分离方法，该方法将光诱导技术与介电泳技术相结合，采用动态虚拟光电极对粒子进行分离操作。本次研究工作对圆环光电极进行COMSOL Multiphysics软件仿真与实验，仿真结果表明，圆环光电极可在圆环中心处产生势阱将粒子控制其中，使得粒子随圆环的移动而移动，可实现对粒子的分离操作；以仿真结果为依据，利用大小不同的聚苯乙烯小球进行实验探究，结果表明，圆环光电极可以将大粒子控制在电极的中心位置，而小粒子集中在圆环边缘部分，从而实现粒子分离。研究表明，光诱导介电泳技术既能实现对粒子的复杂操作，又具有无损伤的优点，发展前景广阔。