阻抗分析在微流控中的應(yīng)用

正文

阻抗分析在微流控中的應(yīng)用

一． 簡介

人類對自動化和高效率的追求跟压，讓微流控技術(shù)獲得很多微型生物化學分析領(lǐng)域?qū)＜覀兊那嗖A胰蝠。微流控意為在微型設(shè)備上對流體的控制、操作和處理震蒋。微流控技術(shù)屬于一種底層技術(shù)茸塞，融合了化學、流體物理查剖、微電子翔横、新材料等多門學科知識。微流控芯片成為微流控技術(shù)的核心元件梗搅，它將原本需要在實驗室進行的樣品處理禾唁、生化反應(yīng)和結(jié)果檢測等關(guān)鍵步驟匯聚在一張微小芯片上進行，被業(yè)界譽為“芯片實驗室”无切。微流控芯片具有強大的集成性荡短，能夠同時并行處理大量不同樣本，具備分析快哆键、耗能少掘托、污染低等特性，因此被廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學研究籍嘹、藥物合成篩選闪盔、司法鑒定等多個領(lǐng)域。

生物醫(yī)學的發(fā)展對細胞和亞細胞成分（細胞核辱士，RNA泪掀，DNA）的電阻抗譜測量提出了更高的要求。目前有三種常見的方法來觀察微流控通道中細胞的大小和速度颂碘。

第一種是基于光學方法的細胞計數(shù)异赫。它需要使用激光照射微流控通道中已經(jīng)標記好的細胞，并檢測產(chǎn)生的散射或熒光头岔。除了使用的染料可能有毒或昂貴之外塔拳，維護和設(shè)置激光及檢測系統(tǒng)同樣會限制該技術(shù)的便攜性和耐用性。

第二種是基于圖像的細胞計數(shù)峡竣。它依賴于高速相機的使用靠抑。在使用其它設(shè)備將細胞分類到不同通道之前，您需要通過進行圖像處理來判斷細胞的大小适掰。普通攝像機的幀速會限制其檢測速度颂碧，每記錄一幀可能需要 200 微秒的時間荠列。

第三種選擇是阻抗細胞計數(shù)法。它具有快速的響應(yīng)時間稚伍，無需標記且可集成分類操作。該技術(shù)基于監(jiān)控細胞通過微流控通道中兩個電極對時產(chǎn)生的介電特性的變化戚宦。其中一種方法使用鎖相放大器个曙，和匹配的電流放大器來測量微流控通道中兩個電極對之間電流的變化，具體連線如圖2所示受楼。由于實驗中使用了差分電流測量的方法來測量電流的變化垦搬，來自流體的背景信號會在很大程度上被抑制。這使得測量到的電流信號更清晰艳汽，方便您從中推斷出細胞的大小和速度猴贰。

典型的微流控實驗裝置如圖1所示，細胞懸浮液經(jīng)過注射泵通過聚四氟乙烯管道進入微流控芯片河狐。懸浮液流速一般保持在 0.5 μL/min左右米绕。由壓力控制器提供壓強使得捕獲孔位內(nèi)外兩側(cè)壓強不同從而進行細胞或測試微粒的捕獲。而后由數(shù)字鎖相放大器（DLIA）提供 1Vpp 的激勵信號對捕獲的細胞或測試微粒進行激勵而后測量微流控芯片中反饋的電流信號馋艺。經(jīng)由電流放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號方便數(shù)字鎖相放大器測量栅干。然后在計算機（PC）端收集數(shù)據(jù)并計算細胞的阻抗信息。

圖1 （a）微流控阻抗測試的整體架構(gòu)圖 (b).微流體裝置的顯微照片（比例尺為100 μm）

本文介紹了捐祠，約翰霍普金斯大學化學與生物分子工程系的研究成果[1]碱鳞，實現(xiàn)了非光學EIS技術(shù)來動態(tài)跟蹤一個混溶微流控液體界面的位置。此方法利用兩種不同的電極陣列：上游平行點電極陣列在液體界面極化和誘導電動流動踱蛀，下游一系列交錯電極動態(tài)測量微通道表面的EIS窿给。實驗表明，阻抗的大小(|Z|)對液體界面的位置很敏感率拒，并可以用于跟蹤界面運動響應(yīng)電動力學誘導的流體流動崩泡。科學家們提出猬膨，該系統(tǒng)的變化可能在電動力學允华、流變學、生物分子檢測和微流控混合應(yīng)用中用于非光學監(jiān)測微流控界面的動力學寥掐。

上海昊量光電設(shè)備有限公司代理的德國Sciospec公司的EIT設(shè)備靴寂，為國內(nèi)外科研院所提供了多種類型的設(shè)備，包括單通道召耘、多通道的EIS設(shè)備和不同電極的EIT設(shè)備百炬。

二． 理論基礎(chǔ)

交流電場長期以來一直被廣泛用于操縱微流控系統(tǒng)的流體含量。當電場在帶電表面或非中性液體區(qū)域內(nèi)施加時污它，會產(chǎn)生能驅(qū)動流體流動的電應(yīng)力剖踊。在液體中庶弃，當一個場垂直應(yīng)用于帶電表面（如電滲透）或穿過具有電性能空間梯度的流體區(qū)域（如電熱流）時，就會發(fā)生這些電動流動德澈。最近歇攻，在兩種混溶水電解質(zhì)之間形成的層流液體界面附近發(fā)現(xiàn)了一種新型的電動流。這種現(xiàn)象被稱為流體介電泳(fDEP)梆造，它描述了使用外部交流電場通過微通道使層流液體界面偏轉(zhuǎn)的能力缴守。該界面是使用微流控t通道裝置創(chuàng)建的，其中兩個流體被迫并排流動镇辉。每種液體具有不同的電導率(σ)和介電常數(shù)(ε)屡穗，因此在它們的界面上存在較大的電錯配。fDEP運動是利用由集成在微流控通道表面的平行點電極陣列產(chǎn)生的垂直電場產(chǎn)生的(圖2a)[2]忽肛。對于受時變單色電場影響的液體界面村砂，位移與界面極化率因子K（ω）的實部成正比，K（ω）是場頻（ω）屹逛、電導率和介電常數(shù)的函數(shù)：

是典型的麥克斯韋-瓦格納電荷兩種液體界面處的弛豫時間刻度础废。如Eq所示。由于界面極化(如充電)是由導電和介電充電共同驅(qū)動的罕模，所以位移是兩者電學性質(zhì)的函數(shù)流體和交流電場頻率色迂。例如，在100 kHz數(shù)量級的頻率下手销，界面位移的大小僅由兩種共流流體之間的電導率差異決定歇僧，我們在這里將其定義為界面電導率(σ2?σ1)。然而锋拖，在高頻(通常為>10MHz)下敌买，位移是由界面介電常數(shù)（ε2?ε1）驅(qū)動的逻澳。最后芳室，在中頻時涡相，界面行為對電學和電介質(zhì)的差異都很敏感，由于fDEP的低頻和高頻特性柄错，如果一個流體相具有更大的電導率（σ1>σ2）舷夺，并且相鄰流體具有更大的介電常數(shù)（ε2>ε1），界面位移的方向?qū)⒃谂R界頻率反轉(zhuǎn)售貌，并存在沒有觀察到界面位移的特征交叉頻率（交越頻率（COF））给猾。當接口的極化率因子為零時會發(fā)生這種情況，可以表示為：

在低頻時颂跨，高導電流體通過流動通道進行移位（圖2b）敢伸。在交越頻率（COF）處，界面上的凈電荷為零恒削，沒有觀察到位移(圖2c)池颈。最后尾序，在交越頻率（COF）的上方，界面在相反的方向上發(fā)生位移(圖2d)躯砰，低導電的高介電流體在通道上發(fā)生位移每币。 接下來，我們討論了利用EIS非光學測量位移方向和幅度的實驗裝置[3]琢歇。

圖2 共聚焦顯微圖與兩個嵌入式電極陣列兰怠。(a)兩種具有不同電學特性的共流流體被驅(qū)動到一個微流控t通道裝置中。每個入口通道（75米寬）與一個150米寬的主通道匯合矿微，形成一個尖銳的液體界面痕慢。一個流具有較大的電導率（綠色）尚揣，而相鄰的流（紅色)具有較大的介電常數(shù)涌矢。主通道有兩個嵌入式電極陣列，位移電極驅(qū)動液體電界面快骗，傳感電極測量局部阻抗娜庇。(b)A1MHz交流電場作用于位移電極，將高導電流（綠色）置換到低導電流（紅色）中方篮，虛線白線表示原始界面位置名秀。(c)在交越頻率（COF）為6.2MHz時，接口在現(xiàn)場不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)藕溅。(d)在20MHz時匕得，高介電流（紅色）移入低介電流（綠色）。

三． 實驗

3.1 實驗裝置

實驗設(shè)計需要一個層流界面和兩種不同類型的電極陣列來置換并隨后檢測界面的位置巾表。我們使用了一個微流控的“t通道”裝置來創(chuàng)建液體界面汁掠。使用低成本的恒壓源流系統(tǒng)將兩個流體流供應(yīng)到微流控裝置。微流控裝置采用標準軟光刻和微加工技術(shù)和微加工技術(shù)集币。采用濕式化學蝕刻法制備了微通道電極考阱。玻璃蓋玻片(50×30mm，編號1鞠苟，飛雪科學)用電子束蒸發(fā)法涂上2nm的鉻和50nm的金乞榨。蓋玻片用光刻膠(Shipley1813)形成圖案，暴露的金屬用金和鉻蝕刻劑蝕刻当娱。然后將得到的電極圖案對齊并結(jié)合到軟光刻制作的Tclanel器件上吃既。為了制造該器件，使用SU-8 3050 光刻膠(MicrochemCorp.)將“t通道”圖案光刻制作到硅片上跨细。將聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體和固化劑的10：1混合物倒在晶圓片上态秧，在85?C下烘烤30min。將PDMS從晶圓上輕輕剝離并從模具上切下扼鞋。用0.75 mm直徑的活組織切片打孔器對液體進行穿孔(Ted Pella, Inc.)申鱼。然后將電極圖案的覆蓋物暴露在氧等離子體(Jepight愤诱，型號42A)中，使用手持特斯拉線圈暴露PDMS微通道(電子技術(shù)產(chǎn)品公司捐友。模型BD-20)和兩種襯底立即在倒置顯微鏡下對準和密封淫半。組裝的裝置包括寬150米、高65米的主流通道匣砖、上游位移（平行點）和下游阻抗（45?交錯）電極陣列（圖2）科吭。為了進行實驗，使用平行點電極陣列對流體界面進行電場作用猴鲫，并在不同的電場頻率下強迫fDEP移位(圖2b-d)对人。當流體離開第一個位移陣列時，界面應(yīng)力停止了拂共。由于慣性對流動的影響很小(Re < 1)牺弄，流體界面在退出fDEP數(shù)組后，立即保持固定在移位位置宜狐。然后势告，我們通過使用第二個交錯電極陣列測量阻抗的大小來確定偏轉(zhuǎn)位置[1]。

3.2實驗物品介紹

液體界面由兩種流體組成抚恒，每種流體具有不同的電導率(σ)和介電常數(shù)（ε）咱台。當被迫以低雷諾數(shù)并排流動時，這兩種流體形成了一個在它們之間有很大的電不匹配的界面俭驮。使用低成本的流控制器以恒定的流量(10L/min)注入設(shè)備回溺，該控制器配備了外部加壓的低溫小瓶。我們用不同的AlexaFluor熒光染料標記每一種流體混萝，以使用共聚焦顯微鏡準確成像界面位置遗遵。

如圖2所示，電界面是由最左（綠色）1xPBS溶液（σ1=0.29mS/cm譬圣；ε1=78）與10ng/mL的Alexa流體488（Invitrogen）構(gòu)成的瓮恭。最右邊（紅色）高介電流（σ2=19μs/cm；ε2=110）由0.8M6-氨基己酸（西格瑪-奧爾德里奇）(AHA)組成厘熟，標記有10ng/mL的Alexa流體594（Invitrogen）屯蹦。AHA是一種水溶性兩性離子，用于增加水溶液的介電常數(shù)绳姨。在熒光標記之前登澜，用1g/mLDowexMr-3(Sigma)離子交換樹脂拋光AHA溶液，以去除微量鹽并降低溶液的電導率飘庄。使用先前發(fā)表的方法測量了該電解質(zhì)系統(tǒng)的交越頻率（COF）脑蠕，發(fā)現(xiàn)其交越頻率（COF）為6.2MHz。

3.3阻抗測量

我們利用上游并行點陣列驅(qū)動fDEP流通過通道，并利用下游45°交錯陣列作為阻抗傳感器谴仙。平行點電極軸向間隔20m迂求，并對稱橋接微通道的寬度。我們使用帶有尖銳點的電極將電場聚焦到電極的尖端晃跺，并沿著主流通道壁增加與PDMS和玻璃基板的接觸揩局。一個函數(shù)發(fā)生器(RigolDG4102)被連接到fDEP電極上，并傳遞一個交流電場來取代跨通道的接口掀虎。下游阻抗電極被交錯凌盯，并相對于流動方向定位在45?的角度，以最大限度地提高陣列對界面位置變化的敏感性烹玉。將阻抗譜儀(SciospecISX-5)連接到阻抗電極陣列上驰怎，并用于測量阻抗的大小作為界面位置的函數(shù)。對于所有的阻抗測量二打，對電極陣列施加50mV的正弦調(diào)制交流電位县忌，并在100kHz到10MHz的激勵頻率范圍內(nèi)測量阻抗的幅度和相位角

四． 量數(shù)據(jù)分析

4.1.電動位移過程中的成像界面位置

圖2b-d描述了在三個不同的場頻率(1MHz、6.2MHz和20MHz)的位移電極上施加10-V峰對峰(Vpp)電位時址儒，界面在fDEP電極陣列長度上的界面運動的俯視圖芹枷。當電場頻率為1MHz時衅疙，導電PBS（綠色）流穿過界面發(fā)生位移（圖2b）莲趣。當施加交越頻率（COF）(6.2MHz)時，導電力和介電力都相等饱溢，當它通過電極陣列時喧伞，界面保持固定(圖2c)。最后绩郎，在頻率高于交越頻率（COF）(20MHz)時潘鲫，偏轉(zhuǎn)方向反轉(zhuǎn)，高介電流（紅色）通過微通道發(fā)生位移（圖2d）

4.2 利用阻抗譜法表征電動界面流

由于流體的界面驅(qū)動運動在離開位移電極陣列時停止肋杖，因此可以使用下游阻抗電極陣列準確地確定界面的位移位置（圖3）溉仑。圖3a-c所示的俯視圖顯示，當界面處于低或高頻電場時状植，高導電低介電PBS或低導電高介電AHA分別以低場和高場頻率覆蓋傳感電極浊竟。

觀察的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)臉部用的流場,2 d共焦顯微圖捕獲超過三個不同的阻抗電極陣列電場頻率:1,6.2和20 MHz(圖3)位移電極薄平面電影(～52海里)和局限于微通道表面,負責驅(qū)動流動的電應(yīng)力被定位在微通道的表面附近。為了滿足質(zhì)量守恒津畸，這種局部電動流動被通道頂部的壓力驅(qū)動回流抵消振定，產(chǎn)生了一個“傾斜”的界面，如圖3中的二維共聚焦顯微圖所示肉拓。由于阻抗電極陣列也局限于微通道表面后频，阻抗測量只對離電場能夠穿透液體域的表面非常接近的流體域的電特性敏感。因此，fDEP產(chǎn)生的界面位置的差異會導致阻抗傳感器附近流體的局部電導率和介電常數(shù)的變化卑惜。

為了確定測量界面位置的最佳阻抗條件膏执，我們首先確定了上游fDEP位移如何在一個阻抗激發(fā)頻率范圍內(nèi)影響下游阻抗。通過PBS和AHA的共流溶液創(chuàng)建一個電界面露久，然后在交越頻率（COF）低于(1MHz)和高于(20MHz)的頻率胧后，當沒有應(yīng)用場時（例如交越頻率（COF）的位置）偏轉(zhuǎn)。對于每個接口位置抱环，我們進行了從100kHz到5MHz的阻抗頻率掃描壳快，以確定不同界面位置的阻抗大小（圖4）镇草。

在1MHz的界面交越頻率（COF）以下眶痰，fDEP電極極化，并迫使高導電（綠色）流在阻抗電極陣列上覆蓋更大的區(qū)域梯啤。相反竖伯，當我們在交越頻率（COF）以上應(yīng)用高頻時，高介電流和阻抗傳感器暴露在電導率較低的流體中因宇。阻抗數(shù)據(jù)與界面位置在阻抗電極附近產(chǎn)生的電變化相一致七婴。當高導電-低介電PBS覆蓋大量阻抗電極陣列時，阻抗下降察滑，而當?shù)蛯щ?高介電AHA流穿過阻抗電極陣列時打厘，阻抗則相反。

由于界面位置不受交越頻率（COF）處電場的影響贺辰，因此交越頻率（COF）處的阻抗大小與不施加位移場時相同户盯，因為界面在交越頻率（COF）處沒有位移。如圖4所示饲化，在阻抗頻率為～500kHz時莽鸭，界面偏轉(zhuǎn)對阻抗(|Z|)的幅度變化最大。在這些實驗的基礎(chǔ)上吃靠，我們在所有后續(xù)實驗中以500kHz的頻率測量了|Z|硫眨。

圖3。在上游位移電極上施加的三種不同電場頻率下嚼锄，在阻抗傳感電極上方拍攝的界面位置的自上而下共聚焦顯微圖减拭。下面描述了一個放大的3D共聚焦z堆棧，每個自上而下的顯微圖区丑。對于每個圖像對拧粪，當沒有應(yīng)用字段時，白色虛線突出顯示界面位置沧侥。(a)在1MHz的場頻下可霎，高導電流（綠色）被驅(qū)動穿過通道表面。相應(yīng)的三維共聚焦堆棧顯示宴杀，覆蓋在傳感電極表面的導電綠色流體的增加癣朗。(b)采用交越頻率（COF），6.2MHz婴氮，液體界面保持固定斯棒。(c)位移方向在20MHz時逆轉(zhuǎn)盾致，高介電流移位為低介電流主经。三維圖像顯示的方向相反，導致覆蓋阻抗電極的導電流減小庭惜。

4.3 利用阻抗譜法確定界面位置

在阻抗激發(fā)頻率固定在500kHz的情況下罩驻，我們接下來使用上游位移電極陣列測量了三個不同施加電壓(5Vpp、10Vppvpp和15Vpp)的|Z|作為功能界面位置护赊。對于每個施加的電壓惠遏，fDEP頻率被連續(xù)掃描從1到20MHz，然后回到1MHz骏啰，同時測量下游阻抗陣列的|Z|节吮。如圖5所示，當界面以交越頻率（COF）為中心時判耕，三種電壓下的|Z|均為32.5k透绩。

高導電的PBS流覆蓋了阻抗傳感器表面的大部分，在5Vpp的外加電壓下，阻抗從25k降低到15k帚豪。當fDEP頻率增加到交越頻率（COF）以上時碳竟，高介質(zhì)流體覆蓋傳感器表面的大部分，|Z|增加到45k.當電界面受到較大的位移電壓的影響時狸臣，阻抗也會受到影響莹桅。

這種增加在高頻率(>COF)尤其明顯，因為低導電烛亦、高介電AHA緩沖器覆蓋了阻抗傳感器的更大區(qū)域诈泼。為了可視化界面，我們捕獲了在5煤禽、10和15Vpp電壓下施加20mhz交流電場時界面的三維共聚焦顯微圖厂汗。如圖5的顯微圖所示，隨著施加電壓的增加呜师，AHA流（紅色）覆蓋了一個更大的電極面積娶桦。雖然在高頻時阻抗隨著電壓的增加有很大的變化，但三個|Z|數(shù)據(jù)集在低頻時的影響不那么大（

如圖6b所示痕支，我們可以看到兩種流體系統(tǒng)在相同的無量綱阻抗|Z|*結(jié)束颁虐，但它們的COF不同，并隨著界面電導率的增加而增加卧须，這與之前的fDEP實驗一致另绩。

圖4 不同fDEP界面位置的阻抗|Z|相對于應(yīng)用激勵頻率的大小瞬痘。為了確定阻抗譜儀的最佳頻率，我們進行了三次掃頻板熊。當位移電極被1MHz施加時框全，高導電-低電介質(zhì)（綠色）流覆蓋了更多的阻抗傳感器電極區(qū)域，阻抗幅度減小干签。當施加20MHz電場時津辩，高介電-低導電（紅色）流占據(jù)較大的傳感電極面積，阻抗增加容劳。當場關(guān)閉并應(yīng)用交越頻率（COF）時喘沿，阻抗的大小保持不變。

圖6 在兩種不同的界面電導率差異下竭贩，500kHz激發(fā)頻率與fDEP頻率的阻抗蚜印。(a)不同應(yīng)用頻率下的阻抗大小，1-20MHz留量。界面電導率較小的界面的測量阻抗較大窄赋。(b)兩個系統(tǒng)的阻抗大小都被呈現(xiàn)為無量綱，以比較兩個數(shù)據(jù)集楼熄。阻抗測量能夠非光學地確定交越頻率（COF）隨著界面電導率的增加而增加忆绰。

五．結(jié)論

本實驗采用的是利用阻抗譜檢測電動力學位移液體界面的方法。通過高于和低于臨界交越頻率（COF）可岂，可以控制在層流界面的兩種流體在微通道內(nèi)順流和偏轉(zhuǎn)流動错敢，再通過配套的阻抗電極陣列來測量偏轉(zhuǎn)界面的位置。此方法能夠檢測界面位移缕粹，其分辨率與共聚焦顯微鏡的實驗一致稚茅。如果配套對應(yīng)的等效電路模型來解釋這種影響，并準確預測可以非光學測量界面運動的檢測極限平斩。

本文提出了一種利用阻抗譜檢測電動力學位移液體界面的新方法亚享。利用交流電場，我們使用fDEP強迫層流流體界面通過微通道進行偏轉(zhuǎn)双戳，然后使用下游阻抗電極陣列測量偏轉(zhuǎn)界面的位置虹蒋。歡迎大家來電咨詢。

相關(guān)文獻：

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[2]  M. Desmond, N. Mavrogiannis, Z. Gagnon, Maxwell-wagner polarization and frequency-dependent injection at aqueous electrical interfaces, Phys. Rev.Lett. 109 (2012) 187602.

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