全隔離三維介電泳微粒分選芯片的設(shè)計及驗證.docx

1、第57卷第4期2018年8月復(fù)旦學(xué)報(自然科學(xué)版)JournalofFudanUniversity(NaturalScience)文章編號：0427-7104(2018)04-0462-05全隔離三維介電泳微粒分選芯片的設(shè)計及驗證冀秀敏，潘睞，周嘉(復(fù)旦大學(xué)專用集成電路與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室，上海200433)摘要：本文設(shè)計制備了集成電路(1C)工藝兼容的三維電極陣列的介電泳芯片.芯片中的三維電極位于微流道的側(cè)壁，且與流體完全隔離.芯片具有完全避免電極玷污和大幅降低電極表面強(qiáng)電場對生物樣本活性損傷的優(yōu)勢.多物理場耦合分析軟件(COMSOL)仿真表明外加100kHz,15的交變電場時10Mm微粒完

2、全分選.實驗驗證表明：當(dāng)外加100kHz,20Vf的交變電場時，9.9m微粒的分選率為72.6%.關(guān)鍵詞：介電泳芯片；三維電極；流體全隔離；微粒分選中圖分類號：TN402文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A片上實驗室(Lab-on-chip,LOC)旨在開發(fā)一個集成有多種功能的平臺.該平臺主要應(yīng)用于化學(xué)或生物的分析，其中微?；蚣?xì)胞的分選是基本功能之一目前已經(jīng)有多種技術(shù)被應(yīng)用于微粒分選中.傳統(tǒng)的微粒/細(xì)胞分選技術(shù)，如熒光激活細(xì)胞分選(Fluorescence-activatedCellSorting,FACS)和磁激活細(xì)胞分選(Magnetic-activatedCellSorting,MACS)，具有高的分選效率，

3、但同時也需要昂貴的設(shè)備、專業(yè)的操作人員以及特殊處理的樣本，因此不符合便攜式與實時監(jiān)測的要求.微流體分選技術(shù)所需樣本量少，操作簡單，因此得到了廣泛的關(guān)注.介電泳(Dielectrophoresis,DEP)具有主動、無創(chuàng)傷、無標(biāo)記分選的優(yōu)勢，它依據(jù)微粒的物理特性，如形狀與尺寸，流體與微粒的電場特性以及外加非均勻電場的強(qiáng)度與頻率等都可以實現(xiàn)分選，因而得到廣泛的研究和關(guān)注.除了可極化的微粒，介電泳技術(shù)還可以用于聚苯乙烯微粒、細(xì)胞、脫氧核糖核酸(DeoxyribonucleicAcid,DNA)6蛋白質(zhì)、細(xì)菌等物質(zhì)的操控.目前介電泳芯片已經(jīng)成功應(yīng)用于微粒或細(xì)胞的分選、吸附口。、分離、富集或及運(yùn)輸K等.

4、介電泳芯片由電極和微流道組成，由于非均勻電場主要由電極的結(jié)構(gòu)、位置決定，因此電極設(shè)計對于實現(xiàn)微粒的分選至關(guān)重要在過去的十幾年中，介電泳電極經(jīng)歷了從二維結(jié)構(gòu)到三維結(jié)構(gòu)的變遷.二維電極，如平面電極通常位于微流道的底部，在微流道的高度方向上形成垂直的非均勻電場.由于電場隨著與電極表面的距離的增加呈指數(shù)性衰減，在遠(yuǎn)離電極表面的區(qū)域的微粒將可能不會受到介電泳力的作用，形成驅(qū)動“死區(qū)”，因此平面電極的介電泳芯片限制了微流道的高度尺寸，通量較小.為解決微粒驅(qū)動“死區(qū)”的問題，三維電極漸漸成為研究熱點(diǎn)，如雙平面電極頃、碳化的環(huán)氧基紫外負(fù)性光刻膠電極電鍍的金屬電極E'、重?fù)诫s的硅電極"引、銀漿

5、摻雜的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)電極9等三維電極與微流道的高度相同，在微流道的每個高度形成相同的非均勻電場的分布，對于實現(xiàn)高通量的微粒分選提供了可能性.然而，目前所報道的三維電極通常位于微流道內(nèi)部或者側(cè)壁，與流體直接接觸.因此，流體對電極的玷污以及電極表面強(qiáng)電場對生物樣本活性的損傷是不可避免的KE。.本文提出與集成電路(IntegratedCircuit,IC)工藝兼容的三維電極的介電泳芯片模型，芯片中的電極與流體完全隔離.在COMSOL軟件中建立該模型，模擬了介電泳芯片在外加交變電場時的微粒分選效果，并在實驗中驗證了芯片在外加交變電場時微粒分選功能.

6、收稿日期：2017-06-06基金項目：國家自然科學(xué)基金(61674043)作者簡介：冀秀敏(1991)，女，碩士研究生；周嘉，教授，通信聯(lián)系人,E-mail：jia.zhou.1模型與原理1.1芯片模型介電泳芯片由微流道和三維電極陣列組成，電極結(jié)構(gòu)及微流道的尺寸如圖1所示.微流道結(jié)構(gòu)中包括1個微粒入口Inlet2,1個緩沖液入口Inlet1,以及2個出口Outletl/()utlet2.微流道側(cè)壁附近排列有30個銅電極，電極與微流道之間通過30Mm的硅間隙完全隔離，避免了流體對電極的污染.Outlet1Outlet2100pm圖1介電泳芯片模型Fig.1DEPchipmodelInlet2緩

7、沖液從Inlet1中注入，推動微粒沿著臻近電極的微流道一側(cè)運(yùn)動.未加電場時，微粒溶液從Outlet2中流出.當(dāng)外加直流電場或者交變電場時，大粒子在負(fù)介電泳力的作用下從Outlet1中流出小粒子則仍從Outlet2中流出，因此本文主要關(guān)注的是大粒子在負(fù)介電泳力作用下的運(yùn)動情況.在之后的仿真以及實驗中,我們選取宜徑為10“m的微粒作為研究對象.1.2理論背景微粒所受的介電泳力的大小和性質(zhì)與多種參數(shù)有關(guān).對于半徑為廠球型的微粒，微粒所受的介電泳力為：FI)EP=27rernr'ReK，<1)其中：f是緩沖液的介電常數(shù);VEL.是外加電場電平有效值平方的梯度；是外加電場電平E的有效值,E

8、g=EA/旗KW是克勞修斯莫索夫(Clausius-Mossotti,CM)因子，其中s=2”./是外加電場的頻率.CM因子是微粒和緩沖液的復(fù)介電常數(shù).e；的函數(shù)，CM因子的表達(dá)式為：K(G=,(2)eP+2em其中夏介電常數(shù)£=£-詁/口,£為介電常數(shù)8是電導(dǎo)率.2模型仿真介電泳的微粒分選是多種物理場共同作用的結(jié)果，如流體力學(xué)、電場等.在COMSOL仿真軟件中建E芯片模型，并利用其中的多物理場模型對芯片的微粒分選性能進(jìn)行了有限元仿真.在COMSOL仿真軟件中.我們使用的多物理場有層流模塊(LaminarFlow)，電流模型(ElectricCurrents)以及

9、粒子追蹤模塊(ParticleTracing).在芯片電極上施加交變電場信號，模擬了交流介電泳(AlternatingCurrentDielectrophoresis»AC-DEP)對10ptm微粒的分選性能.交變電場常被應(yīng)用于介電泳芯片中非均勻電場的產(chǎn)生.表1為AC-DEP對10微粒分選的仿真結(jié)果.由表1(見第464頁)可知，微粒所受介電泳力大小，不僅與流體電導(dǎo)率、流速、電場強(qiáng)度平方梯度有關(guān).還與交變電場的頻率有關(guān).在AC-DF2P中，臨界分選電壓僅在十伏量級，最大電場平方梯度在10'、V2/mJ以|.當(dāng)微粒與緩沖液的流速均為1ptL/min,流體電導(dǎo)率為18MS/cm時，

10、微粒的臨界分選電壓為15V.介電泳力隨交變電場頻率的變化稱為頻率特性,主要由CM因子體現(xiàn).當(dāng)CM因子的實數(shù)部為負(fù)數(shù)時.表示微粒受到負(fù)介電泳力作用；若CM因子的實數(shù)部為正數(shù)，則微粒受到正介電泳力作用圖2為。3MHz范I刊內(nèi)CM因子實數(shù)部的變化曲線.在03MHz范圍內(nèi)CM因子的實數(shù)部始終為負(fù)數(shù)，因此10微粒受到負(fù)介電泳力的作用.表1AC-DEP仿真結(jié)果Tab.1ThesimulationresultsofACDEP頻率/MHz流體電導(dǎo)率/(pScm1)流速(pLmin1)最大電場平方梯度/(V2m3)臨界分選電壓微粒/緩沖液0.1180.6/0.62.1068X101100.1181/15.415

11、3X10,r>150.1182/29.6271X10lr,2()0.1901/12.4493XIO16301.2181/11.0401X101620圖3為、，微粒與緩沖液的流速均為1流體電導(dǎo)率為18“S/cm.外加電平有效值為20V的不同頻率的交變電場時.10“m微粒在負(fù)介電泳力的作用下的運(yùn)動軌跡.圖中橫縱坐標(biāo)分別代表模型的K度和寬度.入【I和出口分別位于X>2000和乂<-2000問】的位置處.出口Outletl/()utlet2以及入IIInlet1/Inlet2分別標(biāo)識于坐標(biāo)軸上.由圖3可知，當(dāng)頻率小于100kHz時.微粒的運(yùn)動軌跡重登.說明當(dāng)外加交變電場的頻率小于10

12、0kHz時，10Mm微粒所受介電泳作用相同；當(dāng)頻率大于100kHz時，隨頻率的增加,微粒的運(yùn)動軌跡向Outlet2靠近，即微粒所受負(fù)介電泳作用降低"I只有當(dāng)頻率小于2MHz時，全部的10微粒從Outlet1中流出.因此，本芯片中的有效微粒分選頻率應(yīng)該位于0.12MHz圖2電場頻率對CM因子的影響Eig.2EffectofelectricfieldfrequencyonCMfactor圖2電場頻率對CM因子的影響Eig.2EffectofelectricfieldfrequencyonCMfactor圖310微粒在不同頻率的交變電場作用卜的運(yùn)動軌跡率Fig.310pmparticlet

13、rajectoriesvaryingwithfrequencyunderA(Q's2+冷，U圖4制備完成的介電泳芯片F(xiàn)ig.4IhefabricatedDEPchip3實驗驗證利用集成電路工藝制備完成了硅襯底的介電泳芯片.具體的藝流程為：通過光刻和深槽刻蝕在硅襯底上刻蝕出三維電極槽之后在電極槽中淀積銅金屬薄膜.其功能等效于三維電極的立體結(jié)構(gòu).再次光刻以及刻蝕出與電極槽相同深度的微流道.最后將桂襯底結(jié)構(gòu)勺聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)鍵合.完成芯片的制備介電泳芯片與定制的印刷電路板(PrintedCircuitBoard,PCB)封裝，可用于測試的介

14、電泳芯片如圖4所示介電泳芯片中包含30個電極相鄰電極為一組，形成兩級加電模式.3.1樣本處理實驗中選取飛世爾公司9.9Mm的聚苯乙烯微粒(G1000,ThermoScientific.-USA)為研究對象.井由去離子水和抗膠凝助劑(Tween20,Aesar.,China)調(diào)制出電導(dǎo)率為18/iS/cm的緩沖液.將聚苯乙烯微粒原液加入緩沖液中構(gòu)成微粒溶液.在測試之前,緩沖液和微粒溶液都需要在超聲.儀中超聲5min.以保證緩沖液和微粒溶液中的各相混合均勻.3.2測試系統(tǒng)將制備完成的芯片置于顯微鏡(307-143003,ERNSTLEITZWETZLARGMBH.,Germany)的載物臺上并通過

15、安裝于顯微鏡上的數(shù)字電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice,CCD)攝像機(jī)監(jiān)測微粒的運(yùn)動.微粒溶液和緩沖液由注射泵(KDS210P/KDSLegato200,KDScientific.,USA)注入微流道入口.函數(shù)信號發(fā)生器(DG4162,RIG()L.,China)用于在芯片上施加交變電場，電壓放大器(2340,TEGAM.USA)可以放大交變電場的電壓值.至此，介電泳微粒分選的測試系統(tǒng)搭建完成.3.3測試結(jié)果圖5為當(dāng)微粒與緩沖液的流速均為1-L/min,流體電導(dǎo)率為18MS/cm時，100kHz的不同電平的交變電壓下的9.9“m微粒運(yùn)動軌跡.零電平時，微粒從Outlet2中流

16、出；隨著電平的增加,微粒的運(yùn)動軌跡向Outlet1偏移；當(dāng)電平有效值為20Ve、時，大部分的9.9微粒從Outlet1中流出，此時微粒的分選效率為72.6%.(a)0Vg(bJlOV(c)20Vrnui*l59.9“m聚苯乙烯微粒在流體流速為"L/min.流體電導(dǎo)率為18MS/cm,不同電平有效值的100kHz的交變電場下的運(yùn)動軌跡59.9/imgreenfluorescentparticletrajectoriesvaryingwithACvoltage*whenvelocilyofparticlesolutionandbuffersolutionis1/iLzmin.buffer

17、solutionconductivityis18S/cmthefrequencyis100kHz與仿真結(jié)果相比，測試中的微粒分選電壓上升，產(chǎn)生該問題的主要原因是COMSOL軟件中的芯片模型為簡化模型，而實羚中的硅襯底則具有一定的摻雜濃度，介電常數(shù)降低，同時制備的:維電極中存在缺陷.綜上所述，實驗中的微粒分選電壓要大于仿真中的電壓值.4結(jié)語本文提出了集成有與流體完全隔離的三維電極的介電泳芯片模型.首先在COMSOL仿真軟件中對芯片外加交變電場時的10Mm微粒的分選性能進(jìn)行了仿真研究.之后利用集成電路工.藝完成了芯片的制備并將其用于微粒的實際分選測試中.當(dāng)外加100kHz,20Vg的交變電場時.7

18、2.6%的9.9微粒從Outlet1中流出，完成分選.參考文獻(xiàn)：1 PARKSI)R,BRYANVM()1VTetal.Antigcn-spccificidentificationandcloningofhybridomaswithafluorescenceactivatedcellsorterLJJ.ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica1979,76(4)：1962.2 .ADAMSJI).KIMU,S()HHT.MultitargetmagneticactivatedcellsorterJ.P

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