《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Simulation and experiments of microelectrode geometry effects on dielectrophoretic particle collection in microfluidic devices
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介电泳（DEP）技术通过非均匀电场操控颗粒运动，本研究设计并模拟了鱼骨、蛇形、正弦三种微电极结构，集成于微流控通道，利用正DEP力将微/亚微米颗粒定向至出口实现高效收集。实验验证蛇形和正弦结构在全面宽度收集方面优于鱼骨结构。
Máté Farkas | Sándor Valkai | András Dér
匈牙利塞格德HUN-REN生物资源中心生物物理学研究所
摘要
在非均匀电场中，颗粒会表现出介电泳（DEP）行为。这种现象是指颗粒根据其电学性质、大小、周围介质以及施加电场的频率而被电场吸引或排斥。这些效应分别被称为正介电泳（pDEP）和负介电泳（nDEP），对应于向电极的吸引或排斥。通过适当的频率，可以根据颗粒的特性对其进行操控、分离或收集。
我们设计并模拟了三种类型的电极：“鱼骨形”、“蛇形”和“正弦形”结构，并将它们集成到微流控通道中。这些电极被设计用来利用正介电泳力将微米/亚微米级的颗粒引导至通道中心，从而实现其在出口处的精确收集和浓缩。为了进行比较，我们计算了每种电极设计的介电泳力，并模拟了颗粒在设备内的运动轨迹。此外，我们还实际制造了这些设备并测量了它们的颗粒收集效率。
引言
与作用于带电颗粒并在均匀电场中工作的电泳不同，介电泳（DEP）也作用于不带电（介电）颗粒，并且在非均匀电场中起作用。颗粒的介电泳行为取决于其电学性质、大小、介质以及电场的频率。介电泳有两种类型：当电场吸引颗粒时称为正介电泳（pDEP）；当电场排斥颗粒时称为负介电泳（nDEP）。介电泳力（F_DEP）的大小和方向取决于颗粒和介质的复介电常数，具体公式如下：
其中，$\epsilon_m$ 和 $\epsilon_p$ 分别是颗粒和介质的复相对介电常数，$r$ 是颗粒的半径，$\nabla |E|$ 是电场的梯度。大括号内的表达式称为复Clausius-Mossotti因子。根据其实部的符号，可以观察到正介电泳（pDEP）或负介电泳（nDEP）效应。通过调整合适的参数，我们可以收集、捕获或分离不同类型的颗粒[1]。
微流控通道能够精确控制少量流体样本，其体积通常只有几微升甚至更少。由于生物样本往往数量有限，这些通道非常适合用于测量。此外，它们还可以很容易地与介电泳电极系统结合使用。
介电泳装置可用于各种涉及生物对象的实验，从细胞到生物纳米颗粒。颗粒的分离和收集有助于特定细胞或细胞成分的表征。传统的分离方法通常成本高昂、复杂且耗时较长，而微流控介电泳系统的优势在于便携性、低成本、简单性和快速性。在生物学领域，该系统的主要应用包括恶性细胞[2]、[3]、[4]、死亡细胞[5]或细菌细胞[6]的识别与分离，以及生物大分子[7]或癌症生物标志物的检测[8]、[9]。由于介电泳系统与微流控通道相结合，其主要研究方向之一是血液样本的分析。例如，细胞间分离的主要目标是从血液中收集癌细胞。分离方式可以是捕获[2]，也可以是将健康细胞和癌细胞引导至不同的出口（动态收集）[3]。血液细胞还可以与生物分子（如蛋白质[7]）分离，从而便于生物样本的预处理。不同疾病伴随着不同的生物标志物，这有助于早期检测。值得注意的例子包括无细胞的循环DNA（癌症的早期迹象[8]），以及携带癌症相关DNA、RNA和蛋白质的细胞外囊泡[9]。不同形状或大小的蛋白质也可以被区分开来[10]。不过，介电泳不仅适用于血液样本，还适用于其他生物实验，例如酵母或大肠杆菌细胞的富集[11]，或从自来水中分离大肠杆菌细胞[12]等。
通常通过精细调节电压和频率来实现不同生物样本的分离，但电极系统的形状也是一个重要因素。设计了多种类型的电极系统用于基于介电泳的分离装置，从简单到复杂都有。例如，只需两个相互倾斜的电极就能轻松分离不同大小的聚苯乙烯微珠。随着电极间距的增加，对于相同大小的颗粒，介电泳力会减小，因此可以用来引导越来越大的颗粒[13]。当然，类似的简单设计也可以用于分离生物样本。Zhang等人仅使用两个平行电极，通过介电泳力将巨噬细胞引导至侧通道，而不会干扰癌细胞的路径[14]。还存在更复杂的电极结构。最常见的设计是一系列倾斜于通道的平行电极[4]、[6]、[15]。这种设计与之前的类似，只是电极数量更多，效果更显著。还有一些圆形电极设计用于捕获生物颗粒[8]、[10]。三维电极可以通过增加颗粒收集体积来增强介电泳力。Martinez-Duarte等人设计了一种三维碳电极系统，其中碳柱电极用于分离颗粒[16]。这种设计有多种用途，例如分离单核细胞和巨噬细胞[17]或收集λ-DNA[18]。另一个有趣的例子是结合波浪形微通道和C-PDMS电极侧壁的应用[19]。
我们的目标是开发一种能够利用正介电泳（pDEP）收集和分离微米及亚微米级颗粒的微流控装置。虽然大多数基于介电泳的收集器和分离器都是为细胞设计的，但亚微米级别的结构（如细胞器）在医学诊断中也起着关键作用。在这个尺寸范围内，颗粒通常是通过将它们捕获在装置内部来收集的，但如果想将这些颗粒用于后续分析，则需要将它们收集到出口处。在下文中，我们使用“捕获”一词来表示捕获和收集颗粒的连续过程。尽管一些系统使用高电压来提高性能，但这种条件可能会损坏生物颗粒，因此低电压操作至关重要。此外，简单的二维电极对于这些设备的快速简便生产也非常重要。
为满足这些需求，我们设计了一种能够连续收集颗粒并将其引导至某个出口的装置，以便进行进一步的生化分析。该系统使用低电压进行收集，并采用简单的二维电极设计。在之前的研究中，我们成功应用了一种类似鱼骨形的电极几何结构来动态收集细菌细胞[20]。现在我们以这种电极设计为起点，旨在通过采用替代几何结构来提高微米级及更小颗粒的收集效率。最终的设备配置如图1所示。
材料与方法
颗粒收集系统基于芯片实验室平台，包含用于收集颗粒的电极系统和促进含颗粒流体流动的微流控通道。该装置还配备了注射泵和函数发生器。电极被设计为适用于正介电泳。电极和微流控通道的制造方法基于我们小组之前的研究[20]。
模拟
使用了两种类型的颗粒：1微米聚苯乙烯微珠（Polybead Microspheres 1.00 μm，Polysciences）和0.1微米荧光标记的乳胶微珠（Red Fluorescent Carboxylated PS Latex，0.10 μm 2.5%，Magsphere）。根据Zetasizer（Malvern Panalytical）的测量结果，这些颗粒的多分散指数低于0.1，表明其尺寸分布非常狭窄，即聚集程度很小。
介电泳力的模拟使用了COMSOL Multiphysics仿真软件。
结论
我们模拟并测试了三种不同电极设计对1微米聚苯乙烯颗粒的正介电泳收集能力。这三种设计分别命名为“鱼骨形”、“蛇形”和“正弦形”。介电泳力计算表明，“蛇形”和“正弦形”结构是最佳的颗粒收集设计，因为它们可以在整个通道宽度范围内收集颗粒，而“鱼骨形”结构的收集范围较窄。
资金来源
本研究得到了土耳其-匈牙利双边合作项目的资助（2022-1.2.6-TéT-IPARI-TR-2022-00023）。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
