集成平面电极微流控芯片中的常规介电电泳实验的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：083305 集成平面电极微流控芯片中的常规介电 电泳实验研究 曹军，洪芳军，郑平 上海交通大学机械与动力工程学院，上海，200240 Tel: 021Email: pingcheng@sjtu.edu.cn 摘要：本文先对介电电泳的原理进行了阐述，并根据场强分布预测了粒子发生正向介电电泳时最容易 被吸附的位置。利用微加工工艺，在 Pyrex 玻璃表面通过剥离工艺分别沉积了“叉指型”、“城垛型”和“多 项式型” 的电极结构, 通过 SU-8 铸模的工艺制作了具有微通道的 PDMS 盖片, 氧等离子体处理后与玻 璃键合形成芯片。以溶解有聚苯乙烯粒子的 KCl 溶液为操作悬浮溶液进行了介电电泳实验，实验结果 与理论分析具有很好的吻合。 关键词：微流控芯片；常规介电电泳； “叉指型” 电极、“城垛型” 电极，“多项式型” 电极 0 前言 利用电泳原理的粒子分离分析技术已经在 DNA 和蛋白质等生物大分子的分离测定 中显示了突出的优越性。传统的毛细管区带电泳(Capillary Zone Electrophoresis, CZE)技 术依靠荷电粒子在直流电场中表现出的不同淌度而实现彼此的分离[1-3]，但这种方法以 粒子带电为前提，后来发展的胶束电动色谱(Micellar Electrokinetic Chromatography, MEKC) 技术通过在缓冲溶液中加入表面活性剂，依靠粒子在水相和胶束相之间的分配 系数不同而能实现对中性粒子的分离[4]，然而，从本质上讲，MEKC 仍然是一种区带 电泳技术，需要能提供几千伏特高压的特殊电源以在毛细管或芯片微通道中产生高电场 强度，由此产生的焦耳热效应也会引起电渗流速度轮廓的改变而造成平直样品区带的变 形[5]，降低分离效率[6-7]，缓冲溶液温度的升高甚至会对生物样品分子产生破坏。最近， 利用较低交变电势就可以实现粒子分离的芯片上介电电泳(Dielectrophoresis, DEP)技术 [8-11]受到广泛关注。芯片上介电电泳以在微通道底面沉积了电极的微流控芯片为操作 平台，利用悬浮溶液中的中性粒子在不均匀电场中由于极化效应而产生的运动来实现对 不同样品粒子的分离。由于微电极之间的距离很小(几十微米) ，因此，施加较小的电压(一 般小于 20V)就可以形成较高的场强而实现对粒子的操控。与直流电泳相比，介电电泳 中粒子的迁移与自身的带电性质无关，而与粒子和悬浮介质的相对介电特性有关。 介电电泳一般可以分为两类，即常规介电电泳(conventional DEP, cDEP)和行波介电 电泳(travelling wave DEP, twDEP) 。在常规介电电泳中，一开始散布在悬浮溶液中的中性 粒子在一定频率的非均匀交变电场作用下，粒子由于极化作用两端出现会大小相等但符 _______________________ 资助项目：国家自然科学基金重点项目（No） 2 号相反的电荷，形成偶极子。由于两极所在位置的电场强度不同( ∇E ≠0 ) ，造成粒 子两端的受力不相等，从而发生迁移。如果粒子被极化后向电场强度较高方向运动，称 为正向介电电泳(positive DEP, pDEP)，若粒子被极化后向电场强度较弱的方向运动，则 称为负向介电电泳(negative DEP, nDEP)[12] 。不同的粒子由于自身极化能力相比于悬浮 溶液的差异会向不同的区域运动，从而实现彼此的分离。在以往的实验研究中，Green 等[13，14]分别通过“城垛型”等结构的电极设计，利用不同粒子介电性质的不同，分别 出现正、负向介电电泳，从而成功实现了对粒子混合物的分离。Doh[15]等利用介电电 泳分离了不同介