電壓放大器在微電極的微流控芯片研究中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)名稱：電壓放大器在微電極的微流控芯片研究中的應(yīng)用

研究方向：微流控生物芯片

測(cè)試目的：

微電極對(duì)于微流控芯片具有重要的作用，它不但可以將外部電信號(hào)傳導(dǎo)入芯片內(nèi)部，以實(shí)現(xiàn)電泳、介電電泳、電穿孔和電融合等功能；還能作為傳感器，將芯片內(nèi)部環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并傳到芯片外，實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片內(nèi)pH值、壓力、濃度、溫度、阻抗值等參數(shù)的檢測(cè)。按照厚度不同，常將微電極分為納米級(jí)別的二維（2D）電極和微米級(jí)別的三維（3D）電極，其中3D電極具有空間電場(chǎng)均勻性好，有效電極表面積大、能承受電流強(qiáng)度大、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。按照材質(zhì)不同，可將微電極分為ITO電極、金屬電極、碳系電極和復(fù)合電極等，其中復(fù)合電極具有對(duì)設(shè)備依賴性小、操作簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉等特點(diǎn)。3D復(fù)合微電極結(jié)合了3D電極和復(fù)合電極的優(yōu)點(diǎn)，在微流控芯片的大規(guī)模生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用等方面具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

測(cè)試設(shè)備：ATA-2042高壓放大器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、電導(dǎo)率儀、多通道注射泵、筆記本電腦、科研級(jí)攝像頭、倒置熒光顯微鏡等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖：用于介電電泳分離聚苯乙烯微球的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)需要先進(jìn)行三個(gè)系統(tǒng)的搭建：進(jìn)樣系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)和激勵(lì)信號(hào)系統(tǒng)。進(jìn)樣系統(tǒng)由雙通道可調(diào)節(jié)流速的注射泵和兩支1mL一次性注射器組成。觀察系統(tǒng)采用全程電子監(jiān)控?cái)z像，將微流控芯片放置在顯微鏡的載物臺(tái)，先采用粗準(zhǔn)焦螺旋找到微通道的位置，再采用細(xì)準(zhǔn)焦螺旋調(diào)清視野。激勵(lì)信號(hào)系統(tǒng)使用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為信號(hào)源，在信號(hào)輸出后增加了一級(jí)電壓放大器，用于提升系統(tǒng)的功率和帶負(fù)載能力。因?yàn)樾盘?hào)經(jīng)過(guò)放大器之后可能會(huì)產(chǎn)生改變，需要對(duì)最終輸出的信號(hào)使用示波器進(jìn)行檢測(cè)，看是否達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需的幅值和頻率。平口夾剛好與微流控芯片的微電極接口尺寸一致，將帶導(dǎo)線的平口夾與電極接口緊密連接，信號(hào)從電壓放大器輸出之后通過(guò)平口夾所連導(dǎo)線輸入三維復(fù)合微電極，形成閉合回路。

①準(zhǔn)備樣品

使用非生物樣本的單分散聚苯乙烯微球作為分選對(duì)象，所選三種聚苯乙烯微球的大小分別為5、10和20μm。將三種不同大小的微球從冰箱中取出，分別使用移液槍汲取5μL、10μL和20μL，滴入離心管中，再往離心管中加入2mL無(wú)水乙醇，起分散作用。最后往離心管中加入5mL濃度為1mmol/L的PBS緩沖液(10%濃度)，為了防止聚苯乙烯微球之間、微球與微通道之間、微球與三維微電極之間相互團(tuán)聚，還加入0.1%體積濃度的吐溫20作為表面活性劑。此時(shí)三種聚苯乙烯微球的濃度大致相當(dāng)，均為104~105顆/mL，液體的電導(dǎo)率為0.17S/m。

②裝載樣品

將進(jìn)樣系統(tǒng)的1號(hào)注射器裝滿10%濃度的PBS緩沖液，2號(hào)注射器裝滿三種微球的混合溶液，分別安裝在進(jìn)樣器中，設(shè)置好進(jìn)樣速度，其中1號(hào)注射器的進(jìn)樣速度為3μL/min，2號(hào)注射器的進(jìn)樣速度為1μL/min。

③芯片預(yù)處理

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，需要檢查芯片是否漏液，潤(rùn)濕通道并排出芯片內(nèi)的氣泡，以防止氣泡影響聚苯乙烯微球的運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)避免分離過(guò)程中氣泡可能帶來(lái)電極電解問(wèn)題。將芯片放在顯微鏡下，inlet1和inlet2分別連接上1、2號(hào)注射器，先啟動(dòng)1號(hào)注射器，往芯片內(nèi)注射10%濃度的PBS緩沖液，測(cè)試芯片是否有漏液，觀察氣泡是否全部排出。

④開(kāi)始實(shí)驗(yàn)

氣泡完全排出后，啟動(dòng)2號(hào)注射泵，往芯片內(nèi)注射三種微球的混合液體。同時(shí)，打開(kāi)激勵(lì)信號(hào)系統(tǒng)的所有儀器開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)整1、2號(hào)注射器的進(jìn)樣速度、比值以及激勵(lì)信號(hào)的電壓幅值對(duì)分離過(guò)程進(jìn)行控制，并使用觀察系統(tǒng)記錄分離的過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖：由Ag-PDMS復(fù)合微電極產(chǎn)生的負(fù)向介電電泳力的仿真結(jié)果，紅色線條代表電場(chǎng)的等值線，藍(lán)色箭頭代表該點(diǎn)FDEP的方向。

聚苯乙烯微球在1mM的PBS緩沖液中，由于PBS的電導(dǎo)率較高，因此在1-10MHz頻率范圍內(nèi)，緩沖液的極化程度一直大于微球的極化程度，Re[K(ω)]的值始終為負(fù)，微球受到負(fù)向介電電泳力的作用而向遠(yuǎn)離電極的方向運(yùn)動(dòng)。使用Comsol對(duì)Ag-PDMS三維微電極產(chǎn)生的負(fù)向介電電泳力進(jìn)行仿真，其結(jié)果如上圖所示。紅色線條代表由3D電極所產(chǎn)生的電場(chǎng)的等值線，結(jié)果顯示，越靠近電極，所受FDEP越大，電場(chǎng)線也越密集，聚苯乙烯微球?qū)碾妶?chǎng)線密集的區(qū)域向電場(chǎng)線稀疏的區(qū)域運(yùn)動(dòng)。

圖：10μm聚苯乙烯微球在0.1mMPBS溶液中的介電響應(yīng)，受到負(fù)介電電泳力的作用，微球被推離電極，施加峰峰值為20V，頻率為1MHz的正弦信號(hào)作為激勵(lì)源，持續(xù)時(shí)間60秒。

為了驗(yàn)證聚苯乙烯微球的介電電泳響應(yīng)，本研究制作了一對(duì)3D復(fù)合微電極，并將其放置于一個(gè)凹槽中，將配制的含有10μm聚苯乙烯微球和PBS的混合液加入凹槽，在未加任何電場(chǎng)時(shí)，微球比較均勻地分布在電極附近以及凹槽中，當(dāng)在3D復(fù)合微電極上施加峰峰值Vpp為20V的正弦信號(hào)，并改變信號(hào)的頻率（從1到10MHz不斷增加），發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯微球均會(huì)發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)方向?yàn)檫h(yuǎn)離電極方向。上圖為施加峰峰值Vpp=20V，頻率為1MHz的正弦信號(hào)，并持續(xù)60s后，聚苯乙烯微球在懸浮溶液中排布情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在（1-10MHz）頻率范圍內(nèi)，聚苯乙烯微球的極化程度均小于0.1mMPBS緩沖液的極化程度，受到負(fù)向介電電泳力的作用而發(fā)生遠(yuǎn)離電極的運(yùn)動(dòng)。

安泰ATA-2042電壓放大器：

圖：ATA-2042電壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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