星形電極介電泳芯片

武月園，燕鵬云，劉 洋，冀健龍，菅傲群，桑勝波

(太原理工大學 a.微納系統研究中心，b.新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點實驗室，太原 030024)

在生物細胞工程、藥物研究及環境監測等領域，常需要對流體內微粒進行分析研究，因此在流體中實現對微粒的操控具有重要研究意義和實用價值[1-2]。與各類操縱技術，如流體聚焦[3]、光鑷[4-5]和磁場分離[6]等相比，介電泳技術[7-8]基于電場力產生的穩定捕獲場，可以實現微米級生物粒子[9-11](諸如蛋白質、核酸、脂質和糖類等生物大分子及細胞)的分離、捕獲和定向操縱，具有精確、快速、低成本、無標記的優點[12-13]。

1951年介電泳現象由美國物理化學家POHL[14]首次在實驗中發現，懸浮在介質中的微粒在非均勻電場作用下可產生定向運動，其運動方向取決于二者介電常數的相對大小。到20世紀90年代，隨著微納加工技術的出現，利用介電泳效應收集、定位和分離懸浮液中的微粒的技術取得了很大的進步，臨床醫學和藥理學研究的迫切需求也促進了介電泳技術的發展[15]。介電泳技術依賴于粒子和介質溶液的固有電性質，被操控的目標粒子不需要標記，同時介電泳芯片的實現方式相對簡單，因此成為微流控設備中實現大量粒子(如細胞、蛋白質、DNA和病毒等)集體性操控法的最廣泛的方法之一[7,15]。

DASTIDE R et al[16]設計并制備了一種基于叉指電極陣列的阻抗生物傳感器，利用正介電泳力將大腸桿菌聚焦并集中到微通道的中心，并將其引導檢測區微通道，實現了低濃度大腸桿菌O157:H7的檢測。KIM et al[17]人在微流控芯片中，設計了六電極芯片產生介電泳力，促進膠體微球的晶體生長，從而形成尺寸約為200 μm的非離子聚丙烯酰胺(PAA)晶體團簇。COTTET et al團隊[18]設計了由8個電極組成的圓形排列介電泳芯片，并驗證了其捕獲性能，采用PS微球和HEK細胞進行了實驗測試，在流動狀態中實現了可控制大小和成分的細胞聚集體。雖然以上結構都實現了對溶液內目標微粒不同形式的匯聚，但是所用電極結構較為復雜，需要高精度光刻工藝才能實現，提高了器件的經濟和時間成本。

本文設計并制備了基于星形平面電極的聚苯乙烯(PS)微球富集芯片，充分利用星形結構產生的不均勻電場，在介電泳力作用下形成了微球聚集體。采用lift-off工藝，克服了陣列電極加工工藝復雜的問題，制作成本低廉。研究了信號頻率、幅值大小、PS微球濃度對匯聚效果的影響，該電極芯片利用比較簡單的結構就完成了對大量微球的定向集體性運動控制，實現了良好的富集效果，對后續實現對微米級生物粒子的操縱，研究其生理、病理性質奠定了基礎。

1 實驗原理與裝置

1.1 介電泳原理

本文設計的星形平面電極結構如圖1所示。在非均勻電場中，懸浮在磷酸緩沖鹽溶液(PBS)內PS微球在介電泳力作用下向星形電極的中心移動，達到富集的效果。其在電場中所受到的介電泳力可用式[13,19]表示

(1)

(2)

式中：ε是介電常數，下標p和m分別代表粒子和介質溶液。CM因子的正負決定粒子受到正介電泳響應或者負介電泳響應，這意味著粒子向高電場或低電場的區域移動。CM因子的實部定義為

(3)

圖1 介電泳力操縱PS小球富集示意圖Fig.1 Illustration of PS pellet enrichment manipulated by dielectrophoretic force

在懸浮液內，PS微球處于非勻強電場內，其感應電荷的分布不對稱[15,19]。因極化作用與介質接觸的表面誘導出電荷形成電偶極子，其電性會隨著電場的變化發生反轉使得微球發生定向的遷移運動。如圖1所示，兩個相對電極接入相同極性的信號，使得相鄰兩個電極的極性相反，星形電極外接交流信號會產生非均勻電場，在電極的邊緣處存在著強電場，而遠離邊緣的電極中心為弱電場區。

當PS微球比介質溶液有著更差的極化性質，微球表面的電偶極子會排斥電場，向著電極邊緣匯聚。從空間角度看，電場便會繞過微球使其向強電場方向移動，如圖2中a粒子，也就是說小球受到了正介電泳力[20-21]。當介質溶液極化量大于微球極化量，微球表面吸引較多的異性電荷，電場便會穿過微球內部使其向弱電場方向移動，即電極邊緣處的PS微球向著星形電極的中心運動，也就是說粒子受到了負介電泳力作用[21]，如圖2中b粒子所示。在微粒與介質溶液確定的情況下，介電泳力的正負取決于Re[fcm]的符號，大小由施加電場決定，因此可以通過調節頻率和電場強度，提高PS微球的富集效率。

圖2 非均勻場中介質粒子極化示意圖Fig.2 Schematic diagram of dielectric particle polarization in inhomogeneous field

1.2 實驗裝置

實驗試劑為AZ5124光刻膠、AZ系列顯影液、丙酮和無水乙醇。采用PS微球(單分散PS微球直徑為5 μm，密度為1.030 kg/m3，購于天津倍思樂色譜技術開發中心)與去離子水配制不同比例濃度的PS微球懸浮液。采用少量磷酸鹽緩沖液制備低電導率溶液，使用移動式電導率儀(希瑪AR8011)測量其電導率，用此溶液調節PS懸浮液的電導率。PS微球懸浮液現用現配，并用超聲清洗機震蕩10 min使PS微球均勻分散。

星形電極各部分尺寸如圖3(a)所示，以15 mm×15 mm普通白玻璃為基底，采用金屬剝離(Lift-off)工藝在基底上形成星形電極。其中PS小球富集區域的最大間隔為450 μm，相鄰兩個電極的最小間隔為200 μm.電極的制作工藝流程如圖3(b)所示，實驗前將玻璃基底依次置于去離子水、無水乙醇和異丙醇內，之后用超聲清洗機各清洗15 min，保證基底的整潔性為下一步實驗做準備。選用正/負可改變型光刻膠AZ5214的正膠性質，使用勻膠機將其均勻涂覆在玻璃基底上，前烘堅膜后在紫外燈下(沃科技有限公司生產，其型號為FUV-6BK)曝光，經過AZ顯影液去除溶解曝光過的光刻膠。采用磁控濺射鍍膜技術(中國科學院沈陽科學儀器股份有限公司，JGP-450磁控濺射系統)在基底上鍍5 nm的Cr和100 nm的Au.之后將玻璃基底置于丙酮或酒精中，附在殘留光刻膠上的Au膜會被剝離，最終得到星形結構的電極。Cr的作用是增強Au膜與襯底的粘附性，避免在剝離過程中Au膜在丙酮或酒精溶液內脫落。

圖3 星形電極結構Fig.3 Star electrode structure

2 結果與分析

本文以5 μm PS微球為研究對象，實驗定性分析了溶液電導率、交流信號電場頻率和幅值以及匯聚時間對PS微球富集的影響，以PS微球的團簇狀態驗證星形電極的富集效果。

根據介電泳力公式(1)和CM因子定義公式(3)可知，影響微粒受力的參數有：介質溶液的介電常數εm、粒子半徑R、CM因子(粒子介電常數εp，電導率σ和電場的角頻率ω)和電場強度E.選用PS微球為實驗分析物，因此R和εp兩個參數為確定值。介質溶液的介電常數εm由其電導率σ和電場頻率ω共同決定，電場強度E由信號電壓決定，因此調節電導率，信號電壓及電場頻率可以改變微粒所受到的介電泳力，從而獲得理想的富集效果。

2.1 臨界頻率的測定

根據公式(3)可知，電導率和信號頻率影響粒子和介質的復介電常數，CM因子的實部由粒子和介質的復介電常數決定，并且CM因子的正負決定粒子受正介電泳響應或者負介電泳響應。因此當所研究的微粒已確定，則其電導率為常數，施加在顆粒上的介電電泳響應取決于介質溶液的電導率和信號頻率。理論研究表明[22]，當溶液介質為低電導率時，可獲得較好的負介電泳效應。因此，本文首先使用低電導率的介質溶液，研究改變信號頻率對微球所受介電泳力方向的影響，為PS微球的富集提供依據。

使用移液槍向芯片上注入100 μL PS微球懸浮液，施加電壓峰值VP-P為5 V的交流信號，改變施加信號的頻率，觀察PS微球的介電泳響應。未施加交流電壓時，PS微球均勻的分散在電極上，如圖4(a)所示；當信號頻率為1 kHz時，PS聚苯乙烯微球受到負介電泳力向電場強度弱的區域運動，電極邊緣處的PS微球向星形區域中心富集，如圖4(b)所示；當頻率為1 MHz時，PS聚苯乙烯微球同樣受到負介電泳力向電極中心富集，如圖4(c)所示。

圖4 PS微球的介電泳響應Fig.4 Electrophoretic response of PS microspheres

結果表明，在電導率較低的懸浮介質中，PS微球在頻率1 kHz到10 MHz均表現出負介電泳行為，其中在1 MHz時，PS微球呈現向中心團簇效果最佳，即負介電泳力效果最好。同時，在此實驗中觀察到溶液電導率主要影響PS微球所受的介電泳力方向，而對其大小無顯著的影響。

2.2 交流信號電壓幅值對于匯聚效果的影響

由微粒所受介電泳力公式(1)可知，交流信號電壓的幅值直接決定了其所受介電泳力的大小。根據以上對頻率研究的基礎上，考察電壓幅值對PS微球富集的影響，對電極芯片上的低電導率PS懸浮液施加頻率為1 MHz的交流信號，記錄了幅值VP-P為3 V、9 V和14 V下PS微球的運動情況。

如圖5(a)所示當正弦信號電壓VP-P為3 V時，PS微球受到負介電泳力向電極中心緩慢運動，最終到達中心成為團簇狀態耗時達1 h以上；將正弦信號電壓幅值VP-P調整為9 V時，在CCD相機系統下觀察到當電極接入信號瞬間，PS微球受到負介電泳力迅速向電極中心聚攏，由于相鄰的兩個電極間隙尺寸小，如圖5(b)所示該區域附近的PS微球優先在這里成點線狀團簇，而相對的兩個電極邊緣附近的PS微球要經過15 min才能到達中心成富集狀態；當調整電壓幅值VP-P為14 V時如圖6(c)所示，PS微球同樣向電極中心運動，但是速度比較慢，最終成團簇狀態需要45 min.

圖5 不同交流信號電壓幅值下的富集效果Fig.5 Enrichment effect under different amplitude of AC signal voltage

如圖6所示，通過實驗研究了1～16 V電壓值VP-P下PS微球呈現富集狀態所需要的時間。從圖中可以看出電壓幅值過大或者過小，PS微球在介質溶液內富集所需要的時間都比較久，而在電壓值VP-P為9 V附近用時較短僅為15 min.結果表明向低電導率PS微球懸浮液施加正弦信號頻率為1 MHz時，電壓幅值VP-P為9 V富集效果最佳。

圖6 在交流信號電壓幅值下PS微球最終呈富集狀態所需的時間Fig.6 Time required for PS microspheres to be enriched at the voltage amplitude of AC signal

2.3 在不同濃度的懸浮液中PS微球的富集實驗

在獲得頻率和電壓的最佳參數后，本節研究了不同濃度PS懸浮液的介電泳響應。將PS微球與去離子水配制成一定濃度范圍懸浮液，并調節電導率為1 μS/cm.對于極低濃度的分析物溶液，在CCD相機系統下不易觀察到PS微球的富集情況，所以配制的分析物溶液濃度應大于105 mL-1(0.16 amol/mL).本文研究主要為后續研究傳感器對超低濃度分析物的檢測限奠定基礎，而高濃度的分析物溶液已具有較強的傳感器響應信號，不需要進一步聚集，因此本文未對高濃度PS微球溶液(大于2.08amol/mL)的介電泳效應進行分析。因文章篇幅限制，本文展示了2.08 amol/mL、1.19 amol/mL和0.33 amol/mL這3種濃度下的PS微球懸浮液的實驗結果，如圖7-圖9所示。

采用移液槍將少量濃度為2.08 amol/mL懸浮液注入到電極上，PS微球均勻的分散在電極中心和間隙中如圖7(a)所示。施加電壓峰值VP-P為9 V、頻率為1 MHz的正弦信號，5 min后電極邊緣的PS微球受到負介電泳力呈現向電極中心運動的趨勢如圖7(b)所示，兩相鄰電極間最先出現PS團簇成點線狀，中心富集不明顯。保持正弦信號接入到電極上，如圖7(c)觀察到15 min時PS微球匯聚成點線狀，并呈現成星形團簇狀態富集在電極中心。繼續施加信號，觀察到由于微粒間相互作用以及蒸發導致的溶液量減少使得微粒運動緩慢最終停止向中心移動，最終在芯片電極上PS微球富集成星形狀。

圖7 交流信號頻率為1 MHz、電壓幅值為9 V，濃度為2.08 amol/mL的PS微球懸浮液在星形電極中心的富集Fig.7 Enrichment of PS microsphere suspension at the center of star electrode with AC signal frequency of 1 MHz, voltage amplitude of 9 V and concentration of 2.08 amol/mL

圖8 交流信號頻率為1 MHz、電壓幅值為9 V，濃度為1.19 amol/mL的PS微球懸浮液在星形電極中心的富集Fig.8 Enrichment of PS microsphere suspension at the center of star electrode with AC signal frequency of 1 MHz, voltage amplitude of 9 V and concentration of 1.19 amol/mL

當降低濃度為1.19 amol/mL時，施加相同的正弦信號同樣可以觀察到此富集過程(如圖8所示)。對于更低濃度的PS微球懸浮液(0.33 amol/mL)，也可以觀察到類似的現象(如圖9所示)。結果表明在實驗條件相同的情況下，濃度范圍在0.33～2.08 amol/mL的PS微球溶液表現出相似的富集效果。

圖9 交流信號頻率為1 MHz、電壓幅值為9 V，濃度為0.33 amol/mL的PS微球懸浮液在星形電極中心的富集Fig.9 Enrichment of PS microsphere suspension at the center of star electrode with AC signal frequency of 1 MHz, voltage amplitude of 9 V and concentration of 0.33 amol/mL

3 結論

本文設計并制作了介電泳星形電極芯片，從實驗上分析了介質溶液內微粒的富集運動。通過分析臨界頻率確定低電導率的PS微球懸浮液在1 kHz到10 MHz表現負介電泳響應，驗證了在1 MHz時負介電泳力效果最好。當施加交流信號電壓幅值VP-P為9 V、頻率為1 MHz時，濃度范圍在0.33～2.08 amol/mL的樣品懸浮液注入到電極上，PS微球在15 min內可以富集到電極中心。在關閉交流信號后，PS微球維持富集狀態，為下一步的樣品分析奠定基礎。本文通過分析電導率、電場頻率、幅值信號對PS微球介電泳運動的影響，得到了實現最佳富集效果的實驗條件，在生物醫藥工程中具有廣闊的應用前景。