用于细胞排列的介电泳微流控芯片制备与实验研究

2014-11-19 09:20张洋张晓飞白国花方明谭秋林熊继
分析化学 2014年11期

张洋 张晓飞 白国花 方明 谭秋林 熊继军 孙东

摘要设计并制作了一种应用于细胞排列的介电泳微流控芯片,以实现细胞的非接触、批量排列。芯片主要包括PDMS微通道和“台阶”形ITO微电极。运用仿真软件COMSOL分析了微电极所形成的电场分布,确定了最大电场强度的位置;利用MEMS加工工艺制备了ITO微电极和PDMS微通道,PDMS微通道与带有ITO电极的载玻片经过氧等离子表面处理后,对准键合获得最终的微流控芯片。通过不同频率下的介电泳实验,实现了酵母菌细胞的介电泳运动,并确定了正、负介电泳运动的电场频率。结果表明,酵母菌细胞在溶液电导率为60 μS/cm的环境下,1~10 kHz时,发生负介电泳运动; 0.5~10 MHz时,发生正介电泳运动; 50 kHz时,没有发生介电泳运动。并在施加8 Vpp,5 MHz交流电压信号的条件下,实现了酵母菌细胞沿“台阶”形电极边缘直线排列。关键词介电泳; 微流控芯片; 有限元仿真; 细胞排列

1引言

近年来,随着微机电系统(Microelectromechanical system, MEMS)技术的发展,微流控芯片实验室(Labonachip)得到了前所未有的发展。在生物医学工程和组织工程中,以细胞或组织为对象的微操作技术对肿瘤细胞疗法、体外器官组织培养、新药的研发等研究具有至关重要的作用\[1,2\]。介电泳(Dielectrophoresis, DEP)以非接触、可批量并行操作的优势被广泛的应用到生物粒子操作中,例如细胞的富集分离、筛选、旋转、拉伸等操作。Doh等\[3\]设计了一种细胞分离介电泳芯片,通过施加间歇性的交流信号,实现了酵母菌细胞的连续分离; Han等\[4\]利用电压信号相位差为90°的四电极结构实现了细胞的旋转,并通过细胞电旋转测量了细胞的膜电容和膜电导; Guido等\[5\]利用两个平行的微电极产生的介电泳力拉伸Jurkat细胞,测定了该细胞的力学性能。目前细胞组装排列的方法主要有表面黏附\[6\]、微捕获井阵列\[7\]、光镊\[8\]等。但是表面黏附和微捕获井阵列的加工工艺较为复杂,并且容易损伤细胞; 光镊适用于单个或几个细胞的高精度操作,难以实现大批量的并行操作; 介电泳则可以实现对批量细胞非接触并行操作。本研究以细胞排列为应用,依据微粒子介电泳操作原理,设计一种“台阶”形的电极结构,并运用COMSOL Mutiphysics有限元仿真软件分析电场分布,通过施加不同频率的交流信号,确定酵母菌细胞的正、负介电泳频率,并利用酵母菌正介电泳运动,使细胞沿“台阶”呈直线排列。

摘要设计并制作了一种应用于细胞排列的介电泳微流控芯片,以实现细胞的非接触、批量排列。芯片主要包括PDMS微通道和“台阶”形ITO微电极。运用仿真软件COMSOL分析了微电极所形成的电场分布,确定了最大电场强度的位置;利用MEMS加工工艺制备了ITO微电极和PDMS微通道,PDMS微通道与带有ITO电极的载玻片经过氧等离子表面处理后,对准键合获得最终的微流控芯片。通过不同频率下的介电泳实验,实现了酵母菌细胞的介电泳运动,并确定了正、负介电泳运动的电场频率。结果表明,酵母菌细胞在溶液电导率为60 μS/cm的环境下,1~10 kHz时,发生负介电泳运动; 0.5~10 MHz时,发生正介电泳运动; 50 kHz时,没有发生介电泳运动。并在施加8 Vpp,5 MHz交流电压信号的条件下,实现了酵母菌细胞沿“台阶”形电极边缘直线排列。关键词介电泳; 微流控芯片; 有限元仿真; 细胞排列

1引言

近年来,随着微机电系统(Microelectromechanical system, MEMS)技术的发展,微流控芯片实验室(Labonachip)得到了前所未有的发展。在生物医学工程和组织工程中,以细胞或组织为对象的微操作技术对肿瘤细胞疗法、体外器官组织培养、新药的研发等研究具有至关重要的作用\[1,2\]。介电泳(Dielectrophoresis, DEP)以非接触、可批量并行操作的优势被广泛的应用到生物粒子操作中,例如细胞的富集分离、筛选、旋转、拉伸等操作。Doh等\[3\]设计了一种细胞分离介电泳芯片,通过施加间歇性的交流信号,实现了酵母菌细胞的连续分离; Han等\[4\]利用电压信号相位差为90°的四电极结构实现了细胞的旋转,并通过细胞电旋转测量了细胞的膜电容和膜电导; Guido等\[5\]利用两个平行的微电极产生的介电泳力拉伸Jurkat细胞,测定了该细胞的力学性能。目前细胞组装排列的方法主要有表面黏附\[6\]、微捕获井阵列\[7\]、光镊\[8\]等。但是表面黏附和微捕获井阵列的加工工艺较为复杂,并且容易损伤细胞; 光镊适用于单个或几个细胞的高精度操作,难以实现大批量的并行操作; 介电泳则可以实现对批量细胞非接触并行操作。本研究以细胞排列为应用,依据微粒子介电泳操作原理,设计一种“台阶”形的电极结构,并运用COMSOL Mutiphysics有限元仿真软件分析电场分布,通过施加不同频率的交流信号,确定酵母菌细胞的正、负介电泳频率,并利用酵母菌正介电泳运动,使细胞沿“台阶”呈直线排列。

摘要设计并制作了一种应用于细胞排列的介电泳微流控芯片,以实现细胞的非接触、批量排列。芯片主要包括PDMS微通道和“台阶”形ITO微电极。运用仿真软件COMSOL分析了微电极所形成的电场分布,确定了最大电场强度的位置;利用MEMS加工工艺制备了ITO微电极和PDMS微通道,PDMS微通道与带有ITO电极的载玻片经过氧等离子表面处理后,对准键合获得最终的微流控芯片。通过不同频率下的介电泳实验,实现了酵母菌细胞的介电泳运动,并确定了正、负介电泳运动的电场频率。结果表明,酵母菌细胞在溶液电导率为60 μS/cm的环境下,1~10 kHz时,发生负介电泳运动; 0.5~10 MHz时,发生正介电泳运动; 50 kHz时,没有发生介电泳运动。并在施加8 Vpp,5 MHz交流电压信号的条件下,实现了酵母菌细胞沿“台阶”形电极边缘直线排列。关键词介电泳; 微流控芯片; 有限元仿真; 细胞排列

1引言

近年来,随着微机电系统(Microelectromechanical system, MEMS)技术的发展,微流控芯片实验室(Labonachip)得到了前所未有的发展。在生物医学工程和组织工程中,以细胞或组织为对象的微操作技术对肿瘤细胞疗法、体外器官组织培养、新药的研发等研究具有至关重要的作用\[1,2\]。介电泳(Dielectrophoresis, DEP)以非接触、可批量并行操作的优势被广泛的应用到生物粒子操作中,例如细胞的富集分离、筛选、旋转、拉伸等操作。Doh等\[3\]设计了一种细胞分离介电泳芯片,通过施加间歇性的交流信号,实现了酵母菌细胞的连续分离; Han等\[4\]利用电压信号相位差为90°的四电极结构实现了细胞的旋转,并通过细胞电旋转测量了细胞的膜电容和膜电导; Guido等\[5\]利用两个平行的微电极产生的介电泳力拉伸Jurkat细胞,测定了该细胞的力学性能。目前细胞组装排列的方法主要有表面黏附\[6\]、微捕获井阵列\[7\]、光镊\[8\]等。但是表面黏附和微捕获井阵列的加工工艺较为复杂,并且容易损伤细胞; 光镊适用于单个或几个细胞的高精度操作,难以实现大批量的并行操作; 介电泳则可以实现对批量细胞非接触并行操作。本研究以细胞排列为应用,依据微粒子介电泳操作原理,设计一种“台阶”形的电极结构,并运用COMSOL Mutiphysics有限元仿真软件分析电场分布,通过施加不同频率的交流信号,确定酵母菌细胞的正、负介电泳频率,并利用酵母菌正介电泳运动,使细胞沿“台阶”呈直线排列。