據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，清華大學(xué)精密儀器系王文會(huì)課題組提出了一種基于毛細(xì)作用的大陣列液態(tài)金屬厚電極加工方法，并將制備的電極應(yīng)用于緊湊和高通量介電泳微流控領(lǐng)域。該加工方法可按需制備任何數(shù)量的液態(tài)金屬厚電極圖案，將現(xiàn)有介電泳分離通量提高1個(gè)數(shù)量級，并有潛能繼續(xù)提高2個(gè)數(shù)量級。該成果以“Capillarity Enabled Large-Array Liquid Metal Electrodes for Compact and High-Throughput Dielectrophoretic Microfluidics”為題，在期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上發(fā)表，并被選為封面文章（Front Cover）。

研究背景與成果

在生物技術(shù)、細(xì)胞生物學(xué)和生物醫(yī)學(xué)分析中，高效分離生物粒子至關(guān)重要。傳統(tǒng)使用標(biāo)記的方法存在設(shè)備昂貴、耗時(shí)和對下游分析的潛在影響等問題。微流控領(lǐng)域中的介電泳（DEP）技術(shù)作為一種無標(biāo)記方法，提供了一種可控、低損傷、低成本的分離方案。然而，介電泳技術(shù)長期受到兩方面限制，一是低通量的限制，難以滿足實(shí)際臨床樣本的大樣本量處理需求；二是多依賴于尺寸差異進(jìn)行分離，難以分離尺寸相近的生物粒子。

針對以上難題，清華大學(xué)精儀系儀器科學(xué)與技術(shù)研究所王文會(huì)課題組提出了一種獨(dú)特的微電極加工方法，采用液態(tài)金屬作為電極材料，通過在電極通道中設(shè)計(jì)不同閾值的毛細(xì)閥（CBVs）結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對液態(tài)金屬的精準(zhǔn)控制，在緊湊的介電泳微流控芯片中制造大陣列液態(tài)金屬厚電極（圖1）。

實(shí)驗(yàn)證明，這種方法可以在拇指大小的空間中集成5000對液態(tài)金屬厚電極。在100微升每分鐘的高流速下，該芯片對流過5000對電極的PS微球產(chǎn)生顯著的介電泳累積作用（偏轉(zhuǎn)40微米），通量是同類技術(shù)的10倍；并具備基于粒子介電性質(zhì)差異與尺寸差異的高通量分離能力，突破了介電泳對于尺寸相近的粒子樣本難以分離的局限。

圖1基于毛細(xì)作用制備的大陣列液態(tài)金屬厚電極微流控芯片

技術(shù)成果展示

本工作利用毛細(xì)閥（CBVs）提供的強(qiáng)大被動(dòng)流體控制能力實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬厚電極自組裝（圖2）。電極通道通過具有高閾值壓強(qiáng)的小孔與樣品通道連接，小孔作為截止閥防止液態(tài)金屬進(jìn)入樣品通道。此外，每組電極行和列的交叉點(diǎn)處放置了中等閾值壓強(qiáng)的毛細(xì)閥結(jié)構(gòu)，充當(dāng)被動(dòng)切換閥，能在液態(tài)金屬流動(dòng)時(shí)自動(dòng)改變路徑。根據(jù)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)液態(tài)金屬注入電極通道時(shí)會(huì)按照預(yù)設(shè)路徑自動(dòng)填充滿電極通道，形成緊湊的大陣列液態(tài)金屬厚電極。由于每組電極在液態(tài)金屬填充過程中具有相同的結(jié)構(gòu)和工作條件，因此電極數(shù)量可以無限擴(kuò)展。

圖2基于毛細(xì)閥的液態(tài)金屬電極陣列自組裝工作流程

制備液態(tài)金屬厚電極只需要普通注射器手動(dòng)完成，自組裝過程方便快捷，成品率僅受芯片流道的質(zhì)量影響。使用制備有5000對液態(tài)金屬厚電極的微流控芯片，驗(yàn)證了粒子偏折的高通量能力。如圖3所示，電極陣列對高速流過的PS微球施加介電泳推力，5000對液態(tài)金屬厚電極的累積介電泳偏折（ADD）效應(yīng)使得在最高100微升每分鐘（約0.28 m/s）的高通量場景下仍能實(shí)現(xiàn)約40微米的介電泳偏轉(zhuǎn)，該通量是當(dāng)前技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)通量的10倍。

圖3高通量介電泳PS微球偏折

該芯片進(jìn)一步用于分離各種混合樣品，充分展示了其獨(dú)特的能力和廣泛的可用性。這些樣品包括尺寸差異較明顯的MCF7癌細(xì)胞和小鼠紅細(xì)胞、尺寸相近的MCF7癌細(xì)胞和馬白細(xì)胞、尺寸基本一致的HeLa癌細(xì)胞和A549人肺癌細(xì)胞，展示出芯片具有優(yōu)異的基于介電性質(zhì)差異和基于尺寸差異的分離能力。特別地，在模擬血液中循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTCs）分離的實(shí)驗(yàn)中，以尺寸相近的人體外周血單核細(xì)胞PBMCs和A549的混合樣品為例，根據(jù)兩種細(xì)胞的介電特性計(jì)算，選擇100 kHz作為工作頻率，使PBMCs受到負(fù)介電泳力，A549細(xì)胞受到正介電泳力。在實(shí)驗(yàn)過程中，樣品流速保持在70微升每分鐘，圖4展示了芯片出口處在有無介電泳作用對比下的細(xì)胞流線和概率密度分布，印證了A549細(xì)胞與PBMCs連續(xù)高速分離效果，展示出巨大的臨床應(yīng)用潛能。

圖4高通量介電泳細(xì)胞分離

值得強(qiáng)調(diào)的是，在原理展示的基礎(chǔ)上，芯片電極數(shù)量和分離通量等指標(biāo)還可以持續(xù)提升。電極結(jié)構(gòu)可以靈活調(diào)整以適應(yīng)特定的介電泳應(yīng)用場景需求，其數(shù)量根據(jù)需要可以無限擴(kuò)展；在芯片制作采用更堅(jiān)固的封裝條件下，分離通量還可以提升多達(dá)2個(gè)量級。

綜上所述，本工作提出了一種簡便靈活的加工方法，在緊湊的微流控芯片中制備大陣列液態(tài)金屬厚電極，通過介電泳在各電極對的累積作用效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高通量生物樣本（細(xì)胞）分離?；诿?xì)作用的液態(tài)金屬填充通道的方法為液態(tài)金屬自組裝成為復(fù)雜的圖案提供了新思路和新手段，其應(yīng)用不局限于本研究中重點(diǎn)展示的微流控分離芯片，也可應(yīng)用于其它需要液態(tài)金屬電極圖案的場合中，如柔性電子、功能材料等蓬勃發(fā)展的廣大領(lǐng)域。

本工作的完成單位為清華大學(xué)精密儀器系、精密測試技術(shù)與儀器全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。精儀系博士研究生柴惠超為第一作者，精密儀器系王文會(huì)副教授與合肥工業(yè)大學(xué)黃亮副教授為共同通訊作者。中國人民解放軍總醫(yī)院吳其艷研究員、鞠忠建研究員、精儀系博士生朱焌文、豐泳翔、梁非為論文工作做出了重要貢獻(xiàn)。本研究得到了國家自然科學(xué)基金的資助。