1、介电电泳生物芯片主动式生物芯片的特点 在芯片的构建和生化反应中直接引入外力或场的作用， 从而具有快速、高效、自动化的特点，是构建芯片实验室、 实现过程集成化的基本部件，目前已成为生物芯片技术研 究的重点 优势： 生化分析效率高 芯片设计灵活多样 适合与其它系统相组合集成 施加的外力： 介电力 灵活的样品处理能力 细胞 DNA 生物大分子 其他纳米材料 多功能 细胞分离 分子定位及输运 细胞定向操纵 细胞富集 介电电泳生物芯片是一种十分重要的主动式电磁生物芯片 介电电泳生物芯片介电电泳技术 1. 介电电泳 介电电泳是指在非均匀交流电场中，悬挂在一定介质中的微粒因诱 导极化作用产生的定向迁移现象。
2、 E E 1 E 2 F DEP F DEP m m 生命的基本单元 细胞及其组成物质DNA、RNA或 蛋白质 细胞操纵技术 在微纳米尺度上，将目的细胞 从背景十分复杂的混合物中分 离出来，如从血液中分离白细 胞或肿瘤细胞 当粒子相对介质更容易极化时（如图粒子a），粒子的感应偶 极矩与电场方向相同，受正向介电力，粒子将向电场强处运 动pDEP 当粒子相对介质更难极化时（如图粒子b），粒子的感应偶极 矩与电场方向相反，受负向介电力，粒子将向电场弱处运 动nDEP q q b q q a 电场方 向 运动方向 偶极方向 介电电泳技术a.粒子相关的参数： b.工作溶液相关的参数： c.驱动电场相关的
3、参数： 介电运动状态描述： 介电电泳技术 常用频率段： 1kHz25 MHz 电场与细胞的互作用通道：细胞膜（约5mV的跨膜电压） d. 温度（热刺激效应）：细胞内的细胞动力学过程与温度呈指数关系。 高于细胞生理温度4 度，将导致细胞死亡。介电电泳技术 介电电泳特点： 与通常所说的电泳（Electrophoresis）相比，介电电泳最显著 的特点是： （1）介电电泳施加的是交流电压，而不是施加直流电压； （2）介电电泳施加的是非均匀电场，而不是均匀电场； （2）粒子的迁移与其自身的带电荷（净电荷）与否无关； （3）介电电泳的效果与粒子和介质的介电（极化）特性有 关（能够在外加电场作用下感应出极
4、化电荷）. 一般而言，细胞中含有大量的有机分子和无机盐离子，在非均 匀电场的作用下，有机分子很容易被极化，无机盐离子会重新分布， 整个细胞很容易被极化。不同的细胞具有不同的极化特性。介电电泳技术 介电极化因子（Clausius Mossotti 因子） 介电极化因子与外电场的频率、电导率、微粒介电常数、悬浮介质的 介电常数有关 常规介电电泳力 因交流电场场强不均匀分布而在微粒上产生的作用力； 力的大小与电场感应极化的同向分量有关； 感生极化项由复介电极化因子的实部决定；介电电泳技术 （1）介电力决定于电场分布的非均匀性，因此需要设计不同形式 的电极以满足特定的要求； (2) 具有不同介电性质的
5、细胞置于同一条件下会受到不同的介电 力，这一点为细胞的选择性操纵和分离提供了基础； (3) 介电力随着外加电场的频率和幅值的变化而变化，为实验条 件的选择提供了一定的灵活性。 介电力的特点介电分离细胞 对于具不同介电性质不同类型的细胞混合物，有可能找到一个合 适的溶液电导率的值，使得在某一特定频率下，一种细胞更容易被极 化而其它所有类型的细胞都不如溶液更容易极化。这样，介电力使该 种类型的细胞向强场区运动，而其它类型的细胞向弱场区运动，从而 达到在微小尺度上对细胞进行分离的目的。这种分离方法称为介电迁 移（DEP Migration）。 已经在多种芯片上利用这种方法实现了活细胞与死细胞的分离，
6、 从全血中分离白血病细胞，细菌细胞以及分离不同种类的微生物 。介电电泳生物芯片Applications - Cell Separation - Cell Concentration - Cell 3-D Manipulation Sinusoidal Triangular Point-Circle DIELECTROPHORESIS CHIPS 介电电泳芯片SEPARATION OF MICROBEADSSEPARATION OF MICROBEADS行波介电电泳生物芯片行波电场 具有一定相位差的交变电场分量 行波介电电泳力 在行波电场作用下在微粒上产生的作用力，力的大小与电场感应极化的异 向
7、分量有关. 感生极化项是复介电极化因子的虚部 行波介电电泳芯片行波介电电泳芯片 如果在一系列线性排列的独立 的电极上施加具有不同相位的 交流信号，可以在空间建立行 波电场，其相位沿着电极排列 的方向变化。当细胞处于这样 的电场时将受到由于电场强度 分布不均产生的介电力，同时 也会受到由于电场相位分布不 均匀而产生的介电力，即行波 介电力。细胞在行波介电力作 用下的运动称为行波介电电泳 （traveling wave DEP， TWD）。在平行电极上方，产生了对称的行波电 场，离电极表面越近，电场强度越大 行波介电电泳芯片 介电力因子的大小在x轴方向保持恒定的，且方向指向x轴负 方向。越靠近电极
8、表面，介电力因子的分布就越复杂，最大值 出现在电极表面出 在y轴方向，介电力的大小随高度的增加而逐渐减小 行波介电电泳芯片0 90 180 270 2 3 ) Im( 4 E f r F CM m twDEP 细胞行波介电电泳原理图 细胞悬浮介质 行波介电电泳芯片行波介电电泳芯片 单层布线芯片行波介电电泳芯片 单层布线芯片行波介电电泳芯片 双层布线芯片器件实物照片 自制样品实验条件 细胞悬浮介质电导率：355 S/cm 外加电场：f100 kHz， V pp 8 V 细胞进样速度：5 mL/h 分离缓冲液进样速度：20 mL/h 细胞分离行波介电电泳实验 细胞模型 人血红细胞Jurkat细胞细
9、胞混合液在微流体管道内停留的时间是1 min，在垂直方向上，红细胞偏移了150 m，Jurakt细胞偏移了450 m，两者在垂直于电极方向上彼此分开了300 m 细胞分离行波介电电泳实验型号 膜厚 透光率 面电阻 刻蚀条件 Cr/Au Cr:20 nm Au: 100 nm 0 210 -3 /口 Cr：HFH 2 O 2 Ar：KII 2 ITO 125 nm 87% 90 /口 HClHNO 3 100 m 100 m Cr/Au电极 ITO电极 细胞分离行波介电电泳实验Au/Cr电极在显微镜下表现为一系列黑色的线条。当细胞正好处于宽度为20 m 的 Au/Cr电极上方时，会被掩膜在电极的
10、阴影之中，无法识别。 电极和间隙的宽度均为20 m，电极所占的总面积为整个芯片面积的一半。所以约 有一半数目的细胞会由于淹没在电极的黑色阴影中而无法识别。 ITO电极具有大于87的透光率，可以清楚的识别细胞的轮廓和准确数目；图像的 背景噪声很小 Au/Cr电极 ITO电极 100 m 细胞分离行波介电电泳实验细胞电旋转生物芯片 20042005年度电子科学与技术系课程细胞电旋转芯片 当细胞被放置于旋转电场E中时，在细胞表面诱导所 累积的电荷形成一个与电场同步旋转并保持一定角度 滞后的偶极矩m。电场与诱导偶极矩的相互作用会 在细胞上产生扭矩 2 3 ) ( Im( 4 ) ( E f r m 其
11、中为介质的电容率，r是细胞的半径，是指细胞电极化参数 （Clausius-Mossotti Factor，CMF）的虚部。CMF的表达式为： 。 如果，偶极矩落后电场超过半个周期，细胞就会受到与电场方 向相反的扭矩；如果，偶极矩落后电场少于半个周期，细胞就会受 到与电场方向相同的扭矩。 ) 2 ( ) ( ) ( * * * * m cell m cell f 0 o 90 o 180 o 270 o E m 图5-1电旋转原理图0 o 90 o 180 o 270 o 细胞膜相关参数： 细胞膜电容、细胞膜电导 细胞内容物相关参数： 细胞内容物电容、细胞内容 物导 / j Imf CM 0，微
12、粒顺场旋转 Imf CM 0，微粒逆场旋转 细胞电旋转芯片细 胞 转 速 f c 电场频率 180 o 270 o 0 o 90 o fc：细胞在逆场旋转速率最大时的电场频率 ImfCM( )0，微粒作顺场旋转 细胞电旋转芯片电场分布模拟 细胞电旋转芯片电位分布模拟 细胞电旋转芯片介电力因子从四周呈放 射状指向电极中心，且 在电极中心，介电力因 子逐渐减小为零。 电场分布模拟 电极组中间区域内的任何一点(x, y)产生的电势可由一个二阶多项式 表示，且符合拉普拉斯方程： 22 22 , 0 Uxy Uxy xy 捕获井 细胞电旋转芯片100m 100m 细胞电旋转芯片细胞电旋转芯片局部放大图
13、相邻电极电阻大于 200 M双层布线 单层布线 细胞电旋转芯片实物照片 Applications - Cell Analysis - Cell Characterization电旋转芯片实验平台 CCD 数据分析 计算机 图像 采集卡 显示器 光源 反射式 显微镜 0 o 270 o 90 o 180 o 数字 发生 器 ROT芯片 及电极 录像机 Labview 编程酵母细胞 阿司匹林药物 实验样品： 外加电压：Vpp8 V 外加频率：f900 kHz 悬浮介质：500 S/cm 实验条件： 细胞电旋转芯片0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 细胞 细胞电旋转速度（转/s）
14、 未加药 加药2 h 加药6 h 加药9 h 加药12 h 细胞电旋转芯片b.总体上，未加药处理的细胞的旋转速 度比药物处理后的明显高；加药前 的细胞平均转速为：1.02转/s， 加药12 h后为0.43转/s a.同组实验中，不同细胞的旋转速度存在 较大差异。如未加药处理的细胞 速度：0.87转/s1.19 转/s a. 悬浮液的性质（介电常数、粘滞系数等） b. 外加电场的强度及分布（决定于电极的形状、大小 、所加电压等） c. 细胞本身的介电性质（决定于细胞的结构、组成、 生理状态等） d. 外加电场的频率 实验结果： 影响因素： 细胞电旋转芯片Ref CM () Imf CM () 低频段: RefCM()0，细胞受 正向介电力（pDEP Force ），往电场最强的区域运 动（电极边缘），最后可 能被吸附在电极上 细胞电旋转芯片正常细胞（）和阿糖胞苷处理2（）、8（）、24（）、48 h（） 后细胞的电旋转频谱光介电电泳技术
