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什么是芯片介電泳 (DEP)？

介電電泳 (DEP) 效應(yīng)是可化粒子在非均勻電場(chǎng)（即電場(chǎng)）中的感應(yīng)運(yùn)動(dòng)。DEP 是一種多功能機(jī)制，用于運(yùn)輸、捕獲、分離和表征顆粒，例如細(xì)胞中的細(xì)胞微流體裝置. 微流控介電泳芯片又名 DEP-on-a-chip 更難制造，因?yàn)樾枰獙㈦娕c設(shè)備上的微流體通道對(duì)齊。為生物粒子操作應(yīng)用有效的電場(chǎng)梯度通常需要電和微流體層之間的緊密對(duì)齊。然而，飛速發(fā)展的微流體的微制造技術(shù)在過去的二十年中，降低了微流體制造成本，幫助增加了 DEP-on-chip 產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。DEP系統(tǒng)與微流體使目標(biāo)生物顆粒的廉價(jià)、快速、高靈敏度、高選擇性和無標(biāo)記表征成為可能。這篇簡(jiǎn)短的評(píng)論提供了 DEP 理論、其操作策略、片上應(yīng)用及其當(dāng)前局限性的實(shí)用概述。

介電泳如何工作？

DEP 力和 CM 因子

DEP 是指非均勻電場(chǎng)與其在可化物體上引起的偶矩之間的相互作用力。球形粒子上的 DEP 力F DEP的大小在很大程度上取決于球體周圍介質(zhì)的介電常數(shù)、生物粒子的體積、電場(chǎng)強(qiáng)度梯度和克勞修斯-莫索蒂因子的實(shí)部 CM * . CM*是與粒子和介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)相關(guān)的復(fù)變量。對(duì)于比介質(zhì)更易化的粒子，其CM*因子的實(shí)部為正：Re[ CM* (ω)]>0 。這意味著目標(biāo)會(huì)經(jīng)歷一個(gè)稱為 pDEP 的正 DEP 力，將其移向強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域。另一方面，如果 Re[ CM*(ω)]<0 粒子經(jīng)歷負(fù) DEP 力 nDEP，并移動(dòng)到弱電場(chǎng)區(qū)域。圖一說明了這些力量。有關(guān)詳細(xì)分析的參考，請(qǐng)單擊此處。

在設(shè)計(jì) DEP 片上系統(tǒng)以成為特定于目標(biāo)細(xì)胞類的過程中的兩個(gè)重要參數(shù)是激發(fā)頻率和介質(zhì)的電導(dǎo)率。對(duì)目標(biāo)細(xì)胞施加的力可以調(diào)整為正、零或負(fù)調(diào)整這些參數(shù)。這構(gòu)成了使用 DEP 的片上分離平臺(tái)的基礎(chǔ)。該圖表顯示了頻率 (ω=2πf) 和介質(zhì)的電導(dǎo)率（圖像中的不同線型）如何影響指定為人類單核細(xì)胞的 Re[ CM* (ω)] 和 Im[ CM* (ω)] 曲線的介電特征.

什么是電形狀以及它們?nèi)绾闻c片上 DEP 中的微流體集成？

DEP 在微流體設(shè)備中的有效性在很大程度上依賴于電場(chǎng)模式和梯度的設(shè)計(jì)。在這里，我們總結(jié)了一些流行的微流體 DEP 電設(shè)計(jì)。誘導(dǎo) DEP 力所必需的電場(chǎng)梯度是通常由電的二維 (2D)、三維 (3D) 和基于緣體 (iDEP) 配置生成。2D 電通常使用傳統(tǒng)光刻技術(shù)在微通道底部進(jìn)行圖案化，F DEP主要用于微通道底部微流體通道靠近電（本圖中的 ae）。這種 2D 策略導(dǎo)致F DEP顯著降低在垂直方向上，與到電的距離成反比。由于通道底部的 DEP 活動(dòng)區(qū)域有限，這會(huì)降低吞吐量。另一種方法是使用 3D 電配置在通道的整個(gè)橫截面區(qū)域誘導(dǎo)更強(qiáng)的 DEP 響應(yīng)，從而更有效地迫使生物顆粒目標(biāo)。可以使用更復(fù)雜的技術(shù)（圖中的 fi）在微通道的底部/頂部表面或側(cè)壁上制造 3D 電。另一種類型的 DEP 配置通過在微通道內(nèi)使用任意數(shù)量的緣突起或障礙物（基于緣體的 DEP，或 iDEP）產(chǎn)生空間不均勻的電場(chǎng)，而無需任何嵌入式電，這大大降低了器件制造的復(fù)雜性（配置 j在圖像中）。

DEP on a chip微流控器件文獻(xiàn)綜述

通過上圖中的電設(shè)計(jì) (a)，可以在細(xì)胞懸浮液的佳激發(fā)頻率和電導(dǎo)率下實(shí)現(xiàn)基于 pDEP 和 nDEP 響應(yīng)的細(xì)胞分離. S. Shim 等人。建立了范圍廣泛的主要哺乳動(dòng)物細(xì)胞的 Re[ CM* ] 查找譜，用于在分選過程中選擇交叉頻率f CM 。進(jìn)行了正負(fù) DEP 分類，其中 pDEP 響應(yīng)細(xì)胞將沿著叉指電附近底面的流動(dòng)流動(dòng)。另一方面，具有 nDEP 響應(yīng)的細(xì)胞被推離底部電表面，并在升高的垂直位置與載液一起流動(dòng)，稱為場(chǎng)流分?jǐn)?shù) (FFF)。(b) 中所示的蜂窩狀電圖案通常用于表征高吞吐量下的交叉頻率f CM [4]. 通過掃描激發(fā)頻率，細(xì)胞可以經(jīng)歷 pDEP 或 nDEP 力，相應(yīng)地將細(xì)胞吸引到電邊緣或?qū)⒓?xì)胞推到凹面區(qū)域。通過設(shè)計(jì)環(huán)形電陣列 (c)，細(xì)胞可以被 pDEP 或 nDEP 力捕獲在電子籠或底部嵌入電的物理井中。對(duì)于 nDEP 細(xì)胞捕獲，可以在低平均流速 (1 ?m/s) 下使用具有高電導(dǎo)率 (~1.5 S/m) 的常規(guī)生理緩沖液直接操作細(xì)胞，以平衡流體動(dòng)力阻力. 斜交叉條紋電通常用于基于 nDEP 的細(xì)胞分選 (d)。當(dāng)細(xì)胞流過每個(gè)傾斜的電條時(shí)，DEP 力和流體動(dòng)力阻力之間的凈力導(dǎo)致凈運(yùn)動(dòng)朝向傾斜方向到達(dá)微通道的另一側(cè) .為了實(shí)時(shí)創(chuàng)建任意電圖案，使用了像素化電 (e). 每個(gè)像素化電墊都可以單控制開/關(guān)，以允許使用通用的方法來操作單個(gè)細(xì)胞。然而，這種類型的微流體設(shè)備需要更復(fù)雜的微加工過程。

為了在設(shè)備的整個(gè)橫截面區(qū)域創(chuàng)建 3D 電場(chǎng)，已經(jīng)展示了幾種電設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)（f、g 和 h）在頂部和底部基板上都有電圖案，它們對(duì)齊形成 3D 電場(chǎng)隧道、棘輪或籠子，以提高其相應(yīng) 2D 電設(shè)計(jì)的效率，例如 (d)。這種類型的設(shè)計(jì)大大提高了電池處理吞吐量，并且可以在高速流動(dòng)。3D 電場(chǎng)也可以通過沿著微通道 (i) 的側(cè)壁嵌入電來產(chǎn)生，用于高通量的正負(fù) DEP 細(xì)胞分離 .為了避免細(xì)胞與電緊密接觸，可以安排由緣體制成的微型柱以產(chǎn)生用于 pDEP 操作的局部強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域 (i) . 這種方法也稱為基于緣體的 DEP (iDEP)。

當(dāng)前的芯片設(shè)計(jì) DEP 是否可以改進(jìn)？

大量關(guān)于 DEP 的微流體研究產(chǎn)生了各種不同的電配置和操作策略，僅在上面的討論中列出了一些。盡管過去取得了所有成就，但 DEP 系統(tǒng)可以在許多方面進(jìn)一步改進(jìn)，如下所述：

• • • 大多數(shù) DEP 系統(tǒng)需要將細(xì)胞重新懸浮到低電導(dǎo)率介質(zhì) (10~100 ?S/m) 中，以減少樣品懸浮液的焦耳熱和電化學(xué)反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。與具有電導(dǎo)率（1~10 S/m）的普通生理緩沖液相比，細(xì)胞在低電導(dǎo)率介質(zhì)中長(zhǎng)時(shí)間重懸可能對(duì)其生理功能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，在常規(guī)生理緩沖液中運(yùn)行的高通量 DEP 系統(tǒng)是一個(gè)活躍的研究和商業(yè)化領(lǐng)域。
    • 將懸浮的納米材料（例如碳納米管）組裝到預(yù)定位置有助于創(chuàng)建新型電子、光電和生物傳感器設(shè)備。
    • 不同的 DEP 元素可以按順序、流通方式組合，以創(chuàng)建能夠處理、濃縮、分離和表征目標(biāo)細(xì)胞的集成 DEP 微流體系統(tǒng)。