什么是芯片介電泳 (DEP)？

介電電泳 (DEP) 效應是可化粒子在非均勻電場（即電場）中的感應運動。DEP 是一種多功能機制，用于運輸、捕獲、分離和表征顆粒，例如細胞中的細胞微流體裝置. 微流控介電泳芯片又名 DEP-on-a-chip 更難制造，因為需要將電與設備上的微流體通道對齊。為生物粒子操作應用有效的電場梯度通常需要電和微流體層之間的緊密對齊。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)品進入市場的機會。DEP系統(tǒng)與微流體使目標生物顆粒的廉價、快速、高靈敏度、高選擇性和無標記表征成為可能。這篇簡短的評論提供了 DEP 理論、其操作策略、片上應用及其當前局限性的實用概述。

介電泳如何工作？

DEP 力和 CM 因子

DEP 是指非均勻電場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、電場強度梯度和克勞修斯-莫索蒂因子的實部 CM * . CM*是與粒子和介質(zhì)的復介電常數(shù)相關的復變量。對于比介質(zhì)更易化的粒子，其CM*因子的實部為正：Re[ CM* (ω)]>0 。這意味著目標會經(jīng)歷一個稱為 pDEP 的正 DEP 力，將其移向強電場區(qū)域。另一方面，如果 Re[ CM*(ω)]<0 粒子經(jīng)歷負 DEP 力 nDEP，并移動到弱電場區(qū)域。圖一說明了這些力量。有關詳細分析的參考，請單擊此處。

在設計 DEP 片上系統(tǒng)以成為特定于目標細胞類的過程中的兩個重要參數(shù)是激發(fā)頻率和介質(zhì)的電導率。對目標細胞施加的力可以調(diào)整為正、零或負調(diào)整這些參數(shù)。這構(gòu)成了使用 DEP 的片上分離平臺的基礎。該圖表顯示了頻率 (ω=2πf) 和介質(zhì)的電導率（圖像中的不同線型）如何影響指定為人類單核細胞的 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 在微流體設備中的有效性在很大程度上依賴于電場模式和梯度的設計。在這里，我們總結(jié)了一些流行的微流體 DEP 電設計。誘導 DEP 力所必需的電場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 活動區(qū)域有限，這會降低吞吐量。另一種方法是使用 3D 電配置在通道的整個橫截面區(qū)域誘導更強的 DEP 響應，從而更有效地迫使生物顆粒目標。可以使用更復雜的技術(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，而無需任何嵌入式電，這大大降低了器件制造的復雜性（配置 j在圖像中）。

DEP on a chip微流控器件文獻綜述

通過上圖中的電設計 (a)，可以在細胞懸浮液的佳激發(fā)頻率和電導率下實現(xiàn)基于 pDEP 和 nDEP 響應的細胞分離. S. Shim 等人。建立了范圍廣泛的主要哺乳動物細胞的 Re[ CM* ] 查找譜，用于在分選過程中選擇交叉頻率f CM 。進行了正負 DEP 分類，其中 pDEP 響應細胞將沿著叉指電附近底面的流動流動。另一方面，具有 nDEP 響應的細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，稱為場流分數(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，細胞可以經(jīng)歷 pDEP 或 nDEP 力，相應地將細胞吸引到電邊緣或?qū)⒓毎�推到凹面區(qū)域。通過設計環(huán)形電陣列 (c)，細胞可以被 pDEP 或 nDEP 力捕獲在電子籠或底部嵌入電的物理井中。對于 nDEP 細胞捕獲，可以在低平均流速 (1 ?m/s) 下使用具有高電導率 (~1.5 S/m) 的常規(guī)生理緩沖液直接操作細胞，以平衡流體動力阻力. 斜交叉條紋電通常用于基于 nDEP 的細胞分選 (d)。當細胞流過每個傾斜的電條時，DEP 力和流體動力阻力之間的凈力導致凈運動朝向傾斜方向到達微通道的另一側(cè) .為了實時創(chuàng)建任意電圖案，使用了像素化電 (e). 每個像素化電墊都可以單控制開/關，以允許使用通用的方法來操作單個細胞。然而，這種類型的微流體設備需要更復雜的微加工過程。

為了在設備的整個橫截面區(qū)域創(chuàng)建 3D 電場，已經(jīng)展示了幾種電設計。設計（f、g 和 h）在頂部和底部基板上都有電圖案，它們對齊形成 3D 電場隧道、棘輪或籠子，以提高其相應 2D 電設計的效率，例如 (d)。這種類型的設計大大提高了電池處理吞吐量，并且可以在高速流動。3D 電場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 DEP 細胞分離 .為了避免細胞與電緊密接觸，可以安排由緣體制成的微型柱以產(chǎn)生用于 pDEP 操作的局部強電場區(qū)域 (i) . 這種方法也稱為基于緣體的 DEP (iDEP)。

當前的芯片設計 DEP 是否可以改進？

大量關于 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)可以在許多方面進一步改進，如下所述：

• • • 大多數(shù) DEP 系統(tǒng)需要將細胞重新懸浮到低電導率介質(zhì) (10~100 ?S/m) 中，以減少樣品懸浮液的焦耳熱和電化學反應的風險。與具有電導率（1~10 S/m）的普通生理緩沖液相比，細胞在低電導率介質(zhì)中長時間重懸可能對其生理功能產(chǎn)生負面影響。因此，在常規(guī)生理緩沖液中運行的高通量 DEP 系統(tǒng)是一個活躍的研究和商業(yè)化領域。
    • 將懸浮的納米材料（例如碳納米管）組裝到預定位置有助于創(chuàng)建新型電子、光電和生物傳感器設備。
    • 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、分離和表征目標細胞的集成 DEP 微流體系統(tǒng)。