用于細胞排列的介電泳微流控芯片制備與實驗研究

張洋　張曉飛　白國花　方明　譚秋林　熊繼軍　孫東

摘要設計并制作了一種應用于細胞排列的介電泳微流控芯片，以實現細胞的非接觸、批量排列。芯片主要包括PDMS微通道和“臺階”形ITO微電極。運用仿真軟件COMSOL分析了微電極所形成的電場分布，確定了最大電場強度的位置；利用MEMS加工工藝制備了ITO微電極和PDMS微通道，PDMS微通道與帶有ITO電極的載玻片經過氧等離子表面處理后，對準鍵合獲得最終的微流控芯片。通過不同頻率下的介電泳實驗，實現了酵母菌細胞的介電泳運動，并確定了正、負介電泳運動的電場頻率。結果表明，酵母菌細胞在溶液電導率為60 μS/cm的環境下，1～10 kHz時，發生負介電泳運動； 0.5～10 MHz時，發生正介電泳運動； 50 kHz時，沒有發生介電泳運動。并在施加8 Vpp，5 MHz交流電壓信號的條件下，實現了酵母菌細胞沿“臺階”形電極邊緣直線排列。關鍵詞介電泳； 微流控芯片； 有限元仿真； 細胞排列

1引言

近年來，隨著微機電系統（Microelectromechanical system， MEMS）技術的發展，微流控芯片實驗室（Labonachip）得到了前所未有的發展。在生物醫學工程和組織工程中，以細胞或組織為對象的微操作技術對腫瘤細胞療法、體外器官組織培養、新藥的研發等研究具有至關重要的作用＼[1，2＼]。介電泳（Dielectrophoresis， DEP）以非接觸、可批量并行操作的優勢被廣泛的應用到生物粒子操作中，例如細胞的富集分離、篩選、旋轉、拉伸等操作。Doh等＼[3＼]設計了一種細胞分離介電泳芯片，通過施加間歇性的交流信號，實現了酵母菌細胞的連續分離； Han等＼[4＼]利用電壓信號相位差為90°的四電極結構實現了細胞的旋轉，并通過細胞電旋轉測量了細胞的膜電容和膜電導； Guido等＼[5＼]利用兩個平行的微電極產生的介電泳力拉伸Jurkat細胞，測定了該細胞的力學性能。目前細胞組裝排列的方法主要有表面黏附＼[6＼]、微捕獲井陣列＼[7＼]、光鑷＼[8＼]等。但是表面黏附和微捕獲井陣列的加工工藝較為復雜，并且容易損傷細胞； 光鑷適用于單個或幾個細胞的高精度操作，難以實現大批量的并行操作； 介電泳則可以實現對批量細胞非接觸并行操作。本研究以細胞排列為應用，依據微粒子介電泳操作原理，設計一種“臺階”形的電極結構，并運用COMSOL Mutiphysics有限元仿真軟件分析電場分布，通過施加不同頻率的交流信號，確定酵母菌細胞的正、負介電泳頻率，并利用酵母菌正介電泳運動，使細胞沿“臺階”呈直線排列。

摘要設計并制作了一種應用于細胞排列的介電泳微流控芯片，以實現細胞的非接觸、批量排列。芯片主要包括PDMS微通道和“臺階”形ITO微電極。運用仿真軟件COMSOL分析了微電極所形成的電場分布，確定了最大電場強度的位置；利用MEMS加工工藝制備了ITO微電極和PDMS微通道，PDMS微通道與帶有ITO電極的載玻片經過氧等離子表面處理后，對準鍵合獲得最終的微流控芯片。通過不同頻率下的介電泳實驗，實現了酵母菌細胞的介電泳運動，并確定了正、負介電泳運動的電場頻率。結果表明，酵母菌細胞在溶液電導率為60 μS/cm的環境下，1～10 kHz時，發生負介電泳運動； 0.5～10 MHz時，發生正介電泳運動； 50 kHz時，沒有發生介電泳運動。并在施加8 Vpp，5 MHz交流電壓信號的條件下，實現了酵母菌細胞沿“臺階”形電極邊緣直線排列。關鍵詞介電泳； 微流控芯片； 有限元仿真； 細胞排列

1引言

近年來，隨著微機電系統（Microelectromechanical system， MEMS）技術的發展，微流控芯片實驗室（Labonachip）得到了前所未有的發展。在生物醫學工程和組織工程中，以細胞或組織為對象的微操作技術對腫瘤細胞療法、體外器官組織培養、新藥的研發等研究具有至關重要的作用＼[1，2＼]。介電泳（Dielectrophoresis， DEP）以非接觸、可批量并行操作的優勢被廣泛的應用到生物粒子操作中，例如細胞的富集分離、篩選、旋轉、拉伸等操作。Doh等＼[3＼]設計了一種細胞分離介電泳芯片，通過施加間歇性的交流信號，實現了酵母菌細胞的連續分離； Han等＼[4＼]利用電壓信號相位差為90°的四電極結構實現了細胞的旋轉，并通過細胞電旋轉測量了細胞的膜電容和膜電導； Guido等＼[5＼]利用兩個平行的微電極產生的介電泳力拉伸Jurkat細胞，測定了該細胞的力學性能。目前細胞組裝排列的方法主要有表面黏附＼[6＼]、微捕獲井陣列＼[7＼]、光鑷＼[8＼]等。但是表面黏附和微捕獲井陣列的加工工藝較為復雜，并且容易損傷細胞； 光鑷適用于單個或幾個細胞的高精度操作，難以實現大批量的并行操作； 介電泳則可以實現對批量細胞非接觸并行操作。本研究以細胞排列為應用，依據微粒子介電泳操作原理，設計一種“臺階”形的電極結構，并運用COMSOL Mutiphysics有限元仿真軟件分析電場分布，通過施加不同頻率的交流信號，確定酵母菌細胞的正、負介電泳頻率，并利用酵母菌正介電泳運動，使細胞沿“臺階”呈直線排列。

摘要設計并制作了一種應用于細胞排列的介電泳微流控芯片，以實現細胞的非接觸、批量排列。芯片主要包括PDMS微通道和“臺階”形ITO微電極。運用仿真軟件COMSOL分析了微電極所形成的電場分布，確定了最大電場強度的位置；利用MEMS加工工藝制備了ITO微電極和PDMS微通道，PDMS微通道與帶有ITO電極的載玻片經過氧等離子表面處理后，對準鍵合獲得最終的微流控芯片。通過不同頻率下的介電泳實驗，實現了酵母菌細胞的介電泳運動，并確定了正、負介電泳運動的電場頻率。結果表明，酵母菌細胞在溶液電導率為60 μS/cm的環境下，1～10 kHz時，發生負介電泳運動； 0.5～10 MHz時，發生正介電泳運動； 50 kHz時，沒有發生介電泳運動。并在施加8 Vpp，5 MHz交流電壓信號的條件下，實現了酵母菌細胞沿“臺階”形電極邊緣直線排列。關鍵詞介電泳； 微流控芯片； 有限元仿真； 細胞排列

1引言

近年來，隨著微機電系統（Microelectromechanical system， MEMS）技術的發展，微流控芯片實驗室（Labonachip）得到了前所未有的發展。在生物醫學工程和組織工程中，以細胞或組織為對象的微操作技術對腫瘤細胞療法、體外器官組織培養、新藥的研發等研究具有至關重要的作用＼[1，2＼]。介電泳（Dielectrophoresis， DEP）以非接觸、可批量并行操作的優勢被廣泛的應用到生物粒子操作中，例如細胞的富集分離、篩選、旋轉、拉伸等操作。Doh等＼[3＼]設計了一種細胞分離介電泳芯片，通過施加間歇性的交流信號，實現了酵母菌細胞的連續分離； Han等＼[4＼]利用電壓信號相位差為90°的四電極結構實現了細胞的旋轉，并通過細胞電旋轉測量了細胞的膜電容和膜電導； Guido等＼[5＼]利用兩個平行的微電極產生的介電泳力拉伸Jurkat細胞，測定了該細胞的力學性能。目前細胞組裝排列的方法主要有表面黏附＼[6＼]、微捕獲井陣列＼[7＼]、光鑷＼[8＼]等。但是表面黏附和微捕獲井陣列的加工工藝較為復雜，并且容易損傷細胞； 光鑷適用于單個或幾個細胞的高精度操作，難以實現大批量的并行操作； 介電泳則可以實現對批量細胞非接觸并行操作。本研究以細胞排列為應用，依據微粒子介電泳操作原理，設計一種“臺階”形的電極結構，并運用COMSOL Mutiphysics有限元仿真軟件分析電場分布，通過施加不同頻率的交流信號，確定酵母菌細胞的正、負介電泳頻率，并利用酵母菌正介電泳運動，使細胞沿“臺階”呈直線排列。