电压放大器在微电极的微流控芯片研究中的应用

实验名称：电压放大器在微电极的微流控芯片研究中的应用

研究方向：微流控生物芯片

测试目的：

微电极对于微流控芯片具有重要的作用，它不但可以将外部电信号传导入芯片内部，以实现电泳、介电电泳、电穿孔和电融合等功能；还能作为传感器，将芯片内部环境参数转化为电信号，并传到芯片外，实现对芯片内pH值、压力、浓度、温度、阻抗值等参数的检测。按照厚度不同，常将微电极分为纳米级别的二维（2D）电极和微米级别的三维（3D）电极，其中3D电极具有空间电场均匀性好，有效电极表面积大、能承受电流强度大、鲁棒性好等优点。按照材质不同，可将微电极分为ITO电极、金属电极、碳系电极和复合电极等，其中复合电极具有对设备依赖性小、操作简便、造价低廉等特点。3D复合微电极结合了3D电极和复合电极的优点，在微流控芯片的大规模生产和产业化应用等方面具有很大的发展潜力。

测试设备：ATA-2042电压放大器、函数信号发生器、电导率仪、多通道注射泵、笔记本电脑、科研级摄像头、倒置荧光显微镜等。

实验过程：

图：用于介电电泳分离聚苯乙烯微球的实验平台

实验需要先进行三个系统的搭建：进样系统、观察系统和激励信号系统。进样系统由双通道可调节流速的注射泵和两支1mL一次性注射器组成。观察系统采用全程电子监控摄像，将微流控芯片放置在显微镜的载物台，先采用粗准焦螺旋找到微通道的位置，再采用细准焦螺旋调清视野。激励信号系统使用函数信号发生器作为信号源，在信号输出后增加了一级电压放大器，用于提升系统的功率和带负载能力。因为信号经过放大器之后可能会产生改变，需要对最终输出的信号使用示波器进行检测，看是否达到实验所需的幅值和频率。平口夹刚好与微流控芯片的微电极接口尺寸一致，将带导线的平口夹与电极接口紧密连接，信号从电压放大器输出之后通过平口夹所连导线输入三维复合微电极，形成闭合回路。

①准备样品

使用非生物样本的单分散聚苯乙烯微球作为分选对象，所选三种聚苯乙烯微球的大小分别为5、10和20μm。将三种不同大小的微球从冰箱中取出，分别使用移液枪汲取5μL、10μL和20μL，滴入离心管中，再往离心管中加入2mL无水乙醇，起分散作用。最后往离心管中加入5mL浓度为1mmol/L的PBS缓冲液(10%浓度)，为了防止聚苯乙烯微球之间、微球与微通道之间、微球与三维微电极之间相互团聚，还加入0.1%体积浓度的吐温20作为表面活性剂。此时三种聚苯乙烯微球的浓度大致相当，均为104~105颗/mL，液体的电导率为0.17S/m。

②装载样品

将进样系统的1号注射器装满10%浓度的PBS缓冲液，2号注射器装满三种微球的混合溶液，分别安装在进样器中，设置好进样速度，其中1号注射器的进样速度为3μL/min，2号注射器的进样速度为1μL/min。

③芯片预处理

在实验开始前，需要检查芯片是否漏液，润湿通道并排出芯片内的气泡，以防止气泡影响聚苯乙烯微球的运动轨迹，同时避免分离过程中气泡可能带来电极电解问题。将芯片放在显微镜下，inlet1和inlet2分别连接上1、2号注射器，先启动1号注射器，往芯片内注射10%浓度的PBS缓冲液，测试芯片是否有漏液，观察气泡是否全部排出。

④开始实验

气泡完全排出后，启动2号注射泵，往芯片内注射三种微球的混合液体。同时，打开激励信号系统的所有仪器开关，通过调整1、2号注射器的进样速度、比值以及激励信号的电压幅值对分离过程进行控制，并使用观察系统记录分离的过程。

实验结果：

图：由Ag-PDMS复合微电极产生的负向介电电泳力的仿真结果，红色线条代表电场的等值线，蓝色箭头代表该点FDEP的方向。

聚苯乙烯微球在1mM的PBS缓冲液中，由于PBS的电导率较高，因此在1-10MHz频率范围内，缓冲液的极化程度一直大于微球的极化程度，Re[K(ω)]的值始终为负，微球受到负向介电电泳力的作用而向远离电极的方向运动。使用Comsol对Ag-PDMS三维微电极产生的负向介电电泳力进行仿真，其结果如上图所示。红色线条代表由3D电极所产生的电场的等值线，结果显示，越靠近电极，所受FDEP越大，电场线也越密集，聚苯乙烯微球将从电场线密集的区域向电场线稀疏的区域运动。

图：10μm聚苯乙烯微球在0.1mMPBS溶液中的介电响应，受到负介电电泳力的作用，微球被推离电极，施加峰峰值为20V，频率为1MHz的正弦信号作为激励源，持续时间60秒。

为了验证聚苯乙烯微球的介电电泳响应，本研究制作了一对3D复合微电极，并将其放置于一个凹槽中，将配制的含有10μm聚苯乙烯微球和PBS的混合液加入凹槽，在未加任何电场时，微球比较均匀地分布在电极附近以及凹槽中，当在3D复合微电极上施加峰峰值Vpp为20V的正弦信号，并改变信号的频率（从1到10MHz不断增加），发现聚苯乙烯微球均会发生移动，移动方向为远离电极方向。上图为施加峰峰值Vpp=20V，频率为1MHz的正弦信号，并持续60s后，聚苯乙烯微球在悬浮溶液中排布情况。实验结果表明在（1-10MHz）频率范围内，聚苯乙烯微球的极化程度均小于0.1mMPBS缓冲液的极化程度，受到负向介电电泳力的作用而发生远离电极的运动。

安泰ATA-2042电压放大器：

图：ATA-2042电压放大器指标参数

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本文实验案例参考自知网论文《基于导电颗粒-PDMS三维复合微电极的微流控芯片系统及应用研究

审核编辑黄宇