電壓放大器在微電極的微流控芯片研究中的應用

實驗名稱：電壓放大器在微電極的微流控芯片研究中的應用

研究方向：微流控生物芯片

測試目的：

微電極對于微流控芯片具有重要的作用，它不但可以將外部電信號傳導入芯片內(nèi)部，以實現(xiàn)電泳、介電電泳、電穿孔和電融合等功能；還能作為傳感器，將芯片內(nèi)部環(huán)境參數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號，并傳到芯片外，實現(xiàn)對芯片內(nèi)pH值、壓力、濃度、溫度、阻抗值等參數(shù)的檢測。按照厚度不同，常將微電極分為納米級別的二維（2D）電極和微米級別的三維（3D）電極，其中3D電極具有空間電場均勻性好，有效電極表面積大、能承受電流強度大、魯棒性好等優(yōu)點。按照材質(zhì)不同，可將微電極分為ITO電極、金屬電極、碳系電極和復合電極等，其中復合電極具有對設備依賴性小、操作簡便、造價低廉等特點。3D復合微電極結(jié)合了3D電極和復合電極的優(yōu)點，在微流控芯片的大規(guī)模生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應用等方面具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

測試設備：ATA-2042高壓放大器、函數(shù)信號發(fā)生器、電導率儀、多通道注射泵、筆記本電腦、科研級攝像頭、倒置熒光顯微鏡等。

實驗過程：

圖：用于介電電泳分離聚苯乙烯微球的實驗平臺

實驗需要先進行三個系統(tǒng)的搭建：進樣系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)和激勵信號系統(tǒng)。進樣系統(tǒng)由雙通道可調(diào)節(jié)流速的注射泵和兩支1mL一次性注射器組成。觀察系統(tǒng)采用全程電子監(jiān)控攝像，將微流控芯片放置在顯微鏡的載物臺，先采用粗準焦螺旋找到微通道的位置，再采用細準焦螺旋調(diào)清視野。激勵信號系統(tǒng)使用函數(shù)信號發(fā)生器作為信號源，在信號輸出后增加了一級電壓放大器，用于提升系統(tǒng)的功率和帶負載能力。因為信號經(jīng)過放大器之后可能會產(chǎn)生改變，需要對最終輸出的信號使用示波器進行檢測，看是否達到實驗所需的幅值和頻率。平口夾剛好與微流控芯片的微電極接口尺寸一致，將帶導線的平口夾與電極接口緊密連接，信號從電壓放大器輸出之后通過平口夾所連導線輸入三維復合微電極，形成閉合回路。

①準備樣品

使用非生物樣本的單分散聚苯乙烯微球作為分選對象，所選三種聚苯乙烯微球的大小分別為5、10和20μm。將三種不同大小的微球從冰箱中取出，分別使用移液槍汲取5μL、10μL和20μL，滴入離心管中，再往離心管中加入2mL無水乙醇，起分散作用。最后往離心管中加入5mL濃度為1mmol/L的PBS緩沖液(10%濃度)，為了防止聚苯乙烯微球之間、微球與微通道之間、微球與三維微電極之間相互團聚，還加入0.1%體積濃度的吐溫20作為表面活性劑。此時三種聚苯乙烯微球的濃度大致相當，均為104~105顆/mL，液體的電導率為0.17S/m。

②裝載樣品

將進樣系統(tǒng)的1號注射器裝滿10%濃度的PBS緩沖液，2號注射器裝滿三種微球的混合溶液，分別安裝在進樣器中，設置好進樣速度，其中1號注射器的進樣速度為3μL/min，2號注射器的進樣速度為1μL/min。

③芯片預處理

在實驗開始前，需要檢查芯片是否漏液，潤濕通道并排出芯片內(nèi)的氣泡，以防止氣泡影響聚苯乙烯微球的運動軌跡，同時避免分離過程中氣泡可能帶來電極電解問題。將芯片放在顯微鏡下，inlet1和inlet2分別連接上1、2號注射器，先啟動1號注射器，往芯片內(nèi)注射10%濃度的PBS緩沖液，測試芯片是否有漏液，觀察氣泡是否全部排出。

④開始實驗

氣泡完全排出后，啟動2號注射泵，往芯片內(nèi)注射三種微球的混合液體。同時，打開激勵信號系統(tǒng)的所有儀器開關，通過調(diào)整1、2號注射器的進樣速度、比值以及激勵信號的電壓幅值對分離過程進行控制，并使用觀察系統(tǒng)記錄分離的過程。

實驗結(jié)果：

圖：由Ag-PDMS復合微電極產(chǎn)生的負向介電電泳力的仿真結(jié)果，紅色線條代表電場的等值線，藍色箭頭代表該點FDEP的方向。

聚苯乙烯微球在1mM的PBS緩沖液中，由于PBS的電導率較高，因此在1-10MHz頻率范圍內(nèi)，緩沖液的極化程度一直大于微球的極化程度，Re[K(ω)]的值始終為負，微球受到負向介電電泳力的作用而向遠離電極的方向運動。使用Comsol對Ag-PDMS三維微電極產(chǎn)生的負向介電電泳力進行仿真，其結(jié)果如上圖所示。紅色線條代表由3D電極所產(chǎn)生的電場的等值線，結(jié)果顯示，越靠近電極，所受FDEP越大，電場線也越密集，聚苯乙烯微球?qū)碾妶鼍€密集的區(qū)域向電場線稀疏的區(qū)域運動。

圖：10μm聚苯乙烯微球在0.1mMPBS溶液中的介電響應，受到負介電電泳力的作用，微球被推離電極，施加峰峰值為20V，頻率為1MHz的正弦信號作為激勵源，持續(xù)時間60秒。

為了驗證聚苯乙烯微球的介電電泳響應，本研究制作了一對3D復合微電極，并將其放置于一個凹槽中，將配制的含有10μm聚苯乙烯微球和PBS的混合液加入凹槽，在未加任何電場時，微球比較均勻地分布在電極附近以及凹槽中，當在3D復合微電極上施加峰峰值Vpp為20V的正弦信號，并改變信號的頻率（從1到10MHz不斷增加），發(fā)現(xiàn)聚苯乙烯微球均會發(fā)生移動，移動方向為遠離電極方向。上圖為施加峰峰值Vpp=20V，頻率為1MHz的正弦信號，并持續(xù)60s后，聚苯乙烯微球在懸浮溶液中排布情況。實驗結(jié)果表明在（1-10MHz）頻率范圍內(nèi)，聚苯乙烯微球的極化程度均小于0.1mMPBS緩沖液的極化程度，受到負向介電電泳力的作用而發(fā)生遠離電極的運動。

安泰ATA-2042電壓放大器：

圖：ATA-2042電壓放大器指標參數(shù)

本文實驗素材由西安安泰電子整理發(fā)布。西安安泰電子是專業(yè)從事功率放大器、高壓放大器、功率信號源、前置微小信號放大器、高精度電壓源、高精度電流源等電子測量儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)。公司致力于功率放大器、功率信號源、計量校準源等產(chǎn)品為核心的相關行業(yè)測試解決方案的研究，為用戶提供具有競爭力的測試方案，Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當規(guī)模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。