基于双极性电极的微流控芯片，用于生物颗粒和细胞分选

在生物化学应用中，对细胞或颗粒进行无鞘流聚焦和分选是一个重要的预处理步骤。以往的分选方法大多依赖于使用鞘流来实现高效的细胞聚焦。然而，鞘流的引入会稀释并降低生物颗粒的活性，并需要通过额外的通道进行精确的流量控制，于系统的搭建成本和复杂性不利。因此，如何实现无鞘流聚焦和分选一直是该领域需要解决的问题。

近期，西北工业大学吴玉潘副教授、王少熙教授课题组报道了一种新型方法：通过基于双极性电极（BPE）的感应电荷电渗（ICEO）流和介电泳（DEP）力以及声辐射力的协同作用，实现了对颗粒和细胞的无鞘流聚焦、偏移和分选。相关成果以“Bipolar Electrode-based Sheath-Less Focusing and Continuous AcousticSorting of Particles and Cells in an Integrated Microfluidic Device”为题发表在国际化学权威杂志Analytical Chemistry上。

基于以上方法，研究人员开发了一种简单低成本的集成式微流控芯片，其中包括细胞与颗粒的电场聚焦偏移与声场分选两个模块，分别称为模块I与模块II。如图1所示，可以看到，该集成式微流控芯片结构简单，包括一个用于样品注射的入口和两个用于分选和收集目标颗粒的出口。模块I中有两个BPE，分别为BPE i和BPE ii。其中BPE i始终处于悬浮态，用于预聚焦颗粒或细胞；而BPE ii提供了与外电路的接口，可通电变为激发态，用于偏移经BPE i聚焦后形成的粒子束。而模块II具有倾斜的叉指换能器（IDT），由于逆压电效应，在通道中形成了taSSAW，多条压力波节线连续捕获受到声场作用力更大的颗粒，用于分选目标颗粒。

图1 （a）用于颗粒聚焦与分选的集成式微流控芯片工作原理示意图；（b）BPE上的ICEO原理；（c）SSAW声场形成原理。其中，AN为压力波腹，PN为压力波节。

该集成微流控芯片的3D示意图、实物图以及加电方式如图2所示。

图2 用于颗粒电场聚焦与声场分选的集成式微流控芯片示意图：（a）集成式聚焦分选微流控芯片的3D示意图；（b）集成式聚焦分选微流控芯片实物图；（c）图（b）中红色虚线区域I的显微图，即电场聚焦模块的通道以及电极（指出了加电方式）；（d）图（b）中红色虚线区域II的显微图，即声场分选模块的通道以及电极（指出了加电方式）。

研究人员首先通过分选5 μm和8 μm PS微球来验证这种集成式微流控芯片的功能（图3），然后通过改变BPE的电压来精确调整粒子束以实现更高的分选性能（图4）。为了验证对细胞的有效性，研究人员还对THP-1细胞和酵母细胞进行了集成的无鞘流电场聚焦、偏移和声学分选，获得了比有鞘流声学分选更好的性能（图5）。

图3 悬浮电极BPE ii未加电时，对8 μm 与5 μm PS微球的电场聚焦和声场分选。



图4 悬浮电极BPE ii接地时，对8 μm与5 μm PS微球的电场聚焦偏移和声场分选。



图5 对THP-1细胞与酵母菌的电场聚焦和声场分选：（a）THP-1细胞和酵母菌的CM因子实部比较；（b）不同频率（30 kHz ~ 40 MHz）下THP-1细胞和酵母菌在悬浮电极表面的平均DEP速度与ICEO流速的比较；（c-f）聚焦分选实验效果及统计分析。

综上所述，研究人员提出了一种用于聚焦、偏移和分选细胞的无鞘流且稳定的微流控方法。这种方法减少了使用的泵的数量和系统的体积，同时降低了成本，进一步为以非接触、生物相容和无标签的方式进行无鞘流细胞分选提供了一种新的独特途径，在生物研究和疾病诊断中显示出巨大的潜力。

审核编辑：刘清