阻抗分析在微流控中的国产成人在线观看免费网站

正文

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一． 簡介

人類對自動化和高效率的追求，讓微流控技術獲得很多微型生物化學分析領域專(zhuan) 家們(men) 的青睞。微流控意為(wei) 在微型設備上對流體(ti) 的控製、操作和處理。微流控技術屬於(yu) 一種底層技術，融合了化學、流體(ti) 物理、微電子、新材料等多門學科知識。微流控芯片成為(wei) 微流控技術的核心元件，它將原本需要在實驗室進行的樣品處理、生化反應和結果檢測等關(guan) 鍵步驟匯聚在一張微小芯片上進行，被業(ye) 界譽為(wei) “芯片實驗室”。微流控芯片具有強大的集成性，能夠同時並行處理大量不同樣本，具備分析快、耗能少、汙染低等特性，因此被廣泛国产成人在线观看免费网站在生物醫學研究、藥物合成篩選、司法鑒定等多個(ge) 領域。

生物醫學的發展對細胞和亞(ya) 細胞成分（細胞核，RNA，DNA）的電阻抗譜測量提出了更高的要求。目前有三種常見的方法來觀察微流控通道中細胞的大小和速度。

第一種是基於(yu) 光學方法的細胞計數。它需要使用激光照射微流控通道中已經標記好的細胞，並檢測產(chan) 生的散射或熒光。除了使用的染料可能有毒或昂貴之外，維護和設置激光及檢測係統同樣會(hui) 限製該技術的便攜性和耐用性。

第二種是基於(yu) 圖像的細胞計數。它依賴於(yu) 高速相機的使用。在使用其它設備將細胞分類到不同通道之前，您需要通過進行圖像處理來判斷細胞的大小。普通攝像機的幀速會(hui) 限製其檢測速度，每記錄一幀可能需要 200 微秒的時間。

第三種選擇是阻抗細胞計數法。它具有快速的響應時間，無需標記且可集成分類操作。該技術基於(yu) 監控細胞通過微流控通道中兩(liang) 個(ge) 電極對時產(chan) 生的介電特性的變化。其中一種方法使用鎖相放大器，和匹配的電流放大器來測量微流控通道中兩(liang) 個(ge) 電極對之間電流的變化，具體(ti) 連線如圖2所示。由於(yu) 實驗中使用了差分電流測量的方法來測量電流的變化，來自流體(ti) 的背景信號會(hui) 在很大程度上被抑製。這使得測量到的電流信號更清晰，方便您從(cong) 中推斷出細胞的大小和速度。

典型的微流控實驗裝置如圖1所示，細胞懸浮液經過注射泵通過聚四氟乙烯管道進入微流控芯片。懸浮液流速一般保持在 0.5 µL/min左右。由壓力控製器提供壓強使得捕獲孔位內(nei) 外兩(liang) 側(ce) 壓強不同從(cong) 而進行細胞或測試微粒的捕獲。而後由數字鎖相放大器（DLIA）提供 1Vpp 的激勵信號對捕獲的細胞或測試微粒進行激勵而後測量微流控芯片中反饋的電流信號。經由電流放大器轉換為(wei) 電壓信號方便數字鎖相放大器測量。然後在計算機（PC）端收集數據並計算細胞的阻抗信息。

圖1 （a）微流控阻抗測試的整體(ti) 架構圖 (b).微流體(ti) 裝置的顯微照片（比例尺為(wei) 100 μm）

本文介紹了，約翰霍普金斯大學化學與(yu) 生物分子工程係的研究成果[1]，實現了非光學EIS技術來動態跟蹤一個(ge) 混溶微流控液體(ti) 界麵的位置。此方法利用兩(liang) 種不同的電極陣列：上遊平行點電極陣列在液體(ti) 界麵極化和誘導電動流動，下遊一係列交錯電極動態測量微通道表麵的EIS。實驗表明，阻抗的大小(|Z|)對液體(ti) 界麵的位置很敏感，並可以用於(yu) 跟蹤界麵運動響應電動力學誘導的流體(ti) 流動。科學家們(men) 提出，該係統的變化可能在電動力學、流變學、生物分子檢測和微流控混合国产成人在线观看免费网站中用於(yu) 非光學監測微流控界麵的動力學。

上海昊量光電設備有限国产黄色在线观看代理的德國Sciosespec国产黄色在线观看的EIT設備，為(wei) 國內(nei) 外科研院所提供了多種類型的設備，包括單通道、多通道的EIS設備和不同電極的EIT設備。

二． 理論基礎

交流電場長期以來一直被廣泛用於(yu) 操縱微流控係統的流體(ti) 含量。當電場在帶電表麵或非中性液體(ti) 區域內(nei) 施加時，會(hui) 產(chan) 生能驅動流體(ti) 流動的電應力。在液體(ti) 中，當一個(ge) 場垂直国产成人在线观看免费网站於(yu) 帶電表麵（如電滲透）或穿過具有電性能空間梯度的流體(ti) 區域（如電熱流）時，就會(hui) 發生這些電動流動。最近，在兩(liang) 種混溶水電解質之間形成的層流液體(ti) 界麵附近發現了一種新型的電動流。這種現象被稱為(wei) 流體(ti) 介電泳(fDEP)，它描述了使用外部交流電場通過微通道使層流液體(ti) 界麵偏轉的能力。該界麵是使用微流控t通道裝置創建的，其中兩(liang) 個(ge) 流體(ti) 被迫並排流動。每種液體(ti) 具有不同的電導率(σ)和介電常數(ε)，因此在它們(men) 的界麵上存在較大的電錯配。fDEP運動是利用由集成在微流控通道表麵的平行點電極陣列產(chan) 生的垂直電場產(chan) 生的(圖2a)[2]。對於(yu) 受時變單色電場影響的液體(ti) 界麵，位移與(yu) 界麵極化率因子K（ω）的實部成正比，K（ω）是場頻（ω）、電導率和介電常數的函數：

是典型的麥克斯韋-瓦格納電荷兩(liang) 種液體(ti) 界麵處的弛豫時間刻度。如Eq所示。由於(yu) 界麵極化(如充電)是由導電和介電充電共同驅動的，所以位移是兩(liang) 者電學性質的函數流體(ti) 和交流電場頻率。例如，在100 kHz數量級的頻率下，界麵位移的大小僅(jin) 由兩(liang) 種共流流體(ti) 之間的電導率差異決(jue) 定，我們(men) 在這裏將其定義(yi) 為(wei) 界麵電導率(σ2−σ1)。然而，在高頻(通常為(wei) >10MHz)下，位移是由界麵介電常數（ε2−ε1）驅動的。最後，在中頻時，界麵行為(wei) 對電學和電介質的差異都很敏感，由於(yu) fDEP的低頻和高頻特性，如果一個(ge) 流體(ti) 相具有更大的電導率（σ1>σ2），並且相鄰流體(ti) 具有更大的介電常數（ε2>ε1），界麵位移的方向將在臨(lin) 界頻率反轉，並存在沒有觀察到界麵位移的特征交叉頻率（交越頻率（COF））。當接口的極化率因子為(wei) 零時會(hui) 發生這種情況，可以表示為(wei) ：

在低頻時，高導電流體(ti) 通過流動通道進行移位（圖2b）。在交越頻率（COF）處，界麵上的淨電荷為(wei) 零，沒有觀察到位移(圖2c)。最後，在交越頻率（COF）的上方，界麵在相反的方向上發生位移(圖2d)，低導電的高介電流體(ti) 在通道上發生位移。 接下來，我們(men) 討論了利用EIS非光學測量位移方向和幅度的實驗裝置[3]。

圖2 共聚焦顯微圖與(yu) 兩(liang) 個(ge) 嵌入式電極陣列。(a)兩(liang) 種具有不同電學特性的共流流體(ti) 被驅動到一個(ge) 微流控t通道裝置中。每個(ge) 入口通道（75米寬）與(yu) 一個(ge) 150米寬的主通道匯合，形成一個(ge) 尖銳的液體(ti) 界麵。一個(ge) 流具有較大的電導率（綠色），而相鄰的流（紅色)具有較大的介電常數。主通道有兩(liang) 個(ge) 嵌入式電極陣列，位移電極驅動液體(ti) 電界麵，傳(chuan) 感電極測量局部阻抗。(b)A1MHz交流電場作用於(yu) 位移電極，將高導電流（綠色）置換到低導電流（紅色）中，虛線白線表示原始界麵位置。(c)在交越頻率（COF）為(wei) 6.2MHz時，接口在現場不會(hui) 發生偏轉。(d)在20MHz時，高介電流（紅色）移入低介電流（綠色）。

三． 實驗

3.1 實驗裝置

實驗設計需要一個(ge) 層流界麵和兩(liang) 種不同類型的電極陣列來置換並隨後檢測界麵的位置。我們(men) 使用了一個(ge) 微流控的“t通道”裝置來創建液體(ti) 界麵。使用低成本的恒壓源流係統將兩(liang) 個(ge) 流體(ti) 流供應到微流控裝置。微流控裝置采用標準軟光刻和微加工技術和微加工技術。采用濕式化學蝕刻法製備了微通道電極。玻璃蓋玻片(50×30mm，編號1，飛雪科學)用電子束蒸發法塗上2nm的鉻和50nm的金。蓋玻片用光刻膠(Shipley1813)形成圖案，暴露的金屬用金和鉻蝕刻劑蝕刻。然後將得到的電極圖案對齊並結合到軟光刻製作的Tclanel器件上。為(wei) 了製造該器件，使用SU-8 3050 光刻膠(MicrochemCorp.)將“t通道”圖案光刻製作到矽片上。將聚二甲基矽氧烷(PDMS)彈性體(ti) 和固化劑的10：1混合物倒在晶圓片上，在85◦C下烘烤30min。將PDMS從(cong) 晶圓上輕輕剝離並從(cong) 模具上切下。用0.75 mm直徑的活組織切片打孔器對液體(ti) 進行穿孔(Ted Pella, Inc.)。然後將電極圖案的覆蓋物暴露在氧等離子體(ti) (Jepight，型號42A)中，使用手持特斯拉線圈暴露PDMS微通道(電子技術国产欧美在线国产黄色在线观看。模型BD-20)和兩(liang) 種襯底立即在倒置顯微鏡下對準和密封。組裝的裝置包括寬150米、高65米的主流通道、上遊位移（平行點）和下遊阻抗（45◦交錯）電極陣列（圖2）。為(wei) 了進行實驗，使用平行點電極陣列對流體(ti) 界麵進行電場作用，並在不同的電場頻率下強迫fDEP移位(圖2b-d)。當流體(ti) 離開第一個(ge) 位移陣列時，界麵應力停止了。由於(yu) 慣性對流動的影響很小(Re < 1)，流體(ti) 界麵在退出fDEP數組後，立即保持固定在移位位置。然後，我們(men) 通過使用第二個(ge) 交錯電極陣列測量阻抗的大小來確定偏轉位置[1]。

3.2實驗物品介紹

液體(ti) 界麵由兩(liang) 種流體(ti) 組成，每種流體(ti) 具有不同的電導率(σ)和介電常數（ε）。當被迫以低雷諾數並排流動時，這兩(liang) 種流體(ti) 形成了一個(ge) 在它們(men) 之間有很大的電不匹配的界麵。使用低成本的流控製器以恒定的流量(10L/min)注入設備，該控製器配備了外部加壓的低溫小瓶。我們(men) 用不同的AlexaFluor熒光染料標記每一種流體(ti) ，以使用共聚焦顯微鏡準確成像界麵位置。

如圖2所示，電界麵是由最左（綠色）1xPBS溶液（σ1=0.29mS/cm；ε1=78）與(yu) 10ng/mL的Alexa流體(ti) 488（Invitrogen）構成的。最右邊（紅色）高介電流（σ2=19μs/cm；ε2=110）由0.8M6-氨基己酸（西格瑪-奧爾德裏奇）(AHA)組成，標記有10ng/mL的Alexa流體(ti) 594（Invitrogen）。AHA是一種水溶性兩(liang) 性離子，用於(yu) 增加水溶液的介電常數。在熒光標記之前，用1g/mLDowexMr-3(Sigma)離子交換樹脂拋光AHA溶液，以去除微量鹽並降低溶液的電導率。使用先前發表的方法測量了該電解質係統的交越頻率（COF），發現其交越頻率（COF）為(wei) 6.2MHz。

3.3阻抗測量

我們(men) 利用上遊並行點陣列驅動fDEP流通過通道，並利用下遊45°交錯陣列作為(wei) 阻抗傳(chuan) 感器。平行點電極軸向間隔20m，並對稱橋接微通道的寬度。我們(men) 使用帶有尖銳點的電極將電場聚焦到電極的尖端，並沿著主流通道壁增加與(yu) PDMS和玻璃基板的接觸。一個(ge) 函數發生器(RigolDG4102)被連接到fDEP電極上，並傳(chuan) 遞一個(ge) 交流電場來取代跨通道的接口。下遊阻抗電極被交錯，並相對於(yu) 流動方向定位在45◦的角度，以最大限度地提高陣列對界麵位置變化的敏感性。將阻抗譜儀(yi) (SciosespecISX-5)連接到阻抗電極陣列上，並用於(yu) 測量阻抗的大小作為(wei) 界麵位置的函數。對於(yu) 所有的阻抗測量，對電極陣列施加50mV的正弦調製交流電位，並在100kHz到10MHz的激勵頻率範圍內(nei) 測量阻抗的幅度和相位角

四． 量數據分析

4.1.電動位移過程中的成像界麵位置

圖2b-d描述了在三個(ge) 不同的場頻率(1MHz、6.2MHz和20MHz)的位移電極上施加10-V峰對峰(Vpp)電位時，界麵在fDEP電極陣列長度上的界麵運動的俯視圖。當電場頻率為(wei) 1MHz時，導電PBS（綠色）流穿過界麵發生位移（圖2b）。當施加交越頻率（COF）(6.2MHz)時，導電力和介電力都相等，當它通過電極陣列時，界麵保持固定(圖2c)。最後，在頻率高於(yu) 交越頻率（COF）(20MHz)時，偏轉方向反轉，高介電流（紅色）通過微通道發生位移（圖2d）

4.2 利用阻抗譜法表征電動界麵流

由於(yu) 流體(ti) 的界麵驅動運動在離開位移電極陣列時停止，因此可以使用下遊阻抗電極陣列準確地確定界麵的位移位置（圖3）。圖3a-c所示的俯視圖顯示，當界麵處於(yu) 低或高頻電場時，高導電低介電PBS或低導電高介電AHA分別以低場和高場頻率覆蓋傳(chuan) 感電極。

觀察的三維結構數據臉部用的流場,2 d共焦顯微圖捕獲超過三個(ge) 不同的阻抗電極陣列電場頻率:1,6.2和20 MHz(圖3)位移電極薄平麵電影(∼52海裏)和局限於(yu) 微通道表麵,負責驅動流動的電應力被定位在微通道的表麵附近。為(wei) 了滿足質量守恒，這種局部電動流動被通道頂部的壓力驅動回流抵消，產(chan) 生了一個(ge) “傾(qing) 斜”的界麵，如圖3中的二維共聚焦顯微圖所示。由於(yu) 阻抗電極陣列也局限於(yu) 微通道表麵，阻抗測量隻對離電場能夠穿透液體(ti) 域的表麵非常接近的流體(ti) 域的電特性敏感。因此，fDEP產(chan) 生的界麵位置的差異會(hui) 導致阻抗傳(chuan) 感器附近流體(ti) 的局部電導率和介電常數的變化。

為(wei) 了確定測量界麵位置的最佳阻抗條件，我們(men) 首先確定了上遊fDEP位移如何在一個(ge) 阻抗激發頻率範圍內(nei) 影響下遊阻抗。通過PBS和AHA的共流溶液創建一個(ge) 電界麵，然後在交越頻率（COF）低於(yu) (1MHz)和高於(yu) (20MHz)的頻率，當沒有国产成人在线观看免费网站場時（例如交越頻率（COF）的位置）偏轉。對於(yu) 每個(ge) 接口位置，我們(men) 進行了從(cong) 100kHz到5MHz的阻抗頻率掃描，以確定不同界麵位置的阻抗大小（圖4）。

在1MHz的界麵交越頻率（COF）以下，fDEP電極極化，並迫使高導電（綠色）流在阻抗電極陣列上覆蓋更大的區域。相反，當我們(men) 在交越頻率（COF）以上国产成人在线观看免费网站高頻時，高介電流和阻抗傳(chuan) 感器暴露在電導率較低的流體(ti) 中。阻抗數據與(yu) 界麵位置在阻抗電極附近產(chan) 生的電變化相一致。當高導電-低介電PBS覆蓋大量阻抗電極陣列時，阻抗下降，而當低導電-高介電AHA流穿過阻抗電極陣列時，阻抗則相反。

由於(yu) 界麵位置不受交越頻率（COF）處電場的影響，因此交越頻率（COF）處的阻抗大小與(yu) 不施加位移場時相同，因為(wei) 界麵在交越頻率（COF）處沒有位移。如圖4所示，在阻抗頻率為(wei) ∼500kHz時，界麵偏轉對阻抗(|Z|)的幅度變化最大。在這些實驗的基礎上，我們(men) 在所有後續實驗中以500kHz的頻率測量了|Z|。

圖3。在上遊位移電極上施加的三種不同電場頻率下，在阻抗傳(chuan) 感電極上方拍攝的界麵位置的自上而下共聚焦顯微圖。下麵描述了一個(ge) 放大的3D共聚焦z堆棧，每個(ge) 自上而下的顯微圖。對於(yu) 每個(ge) 圖像對，當沒有国产成人在线观看免费网站字段時，白色虛線突出顯示界麵位置。(a)在1MHz的場頻下，高導電流（綠色）被驅動穿過通道表麵。相應的三維共聚焦堆棧顯示，覆蓋在傳(chuan) 感電極表麵的導電綠色流體(ti) 的增加。(b)采用交越頻率（COF），6.2MHz，液體(ti) 界麵保持固定。(c)位移方向在20MHz時逆轉，高介電流移位為(wei) 低介電流。三維圖像顯示的方向相反，導致覆蓋阻抗電極的導電流減小。

4.3 利用阻抗譜法確定界麵位置

在阻抗激發頻率固定在500kHz的情況下，我們(men) 接下來使用上遊位移電極陣列測量了三個(ge) 不同施加電壓(5Vpp、10Vppvpp和15Vpp)的|Z|作為(wei) 功能界麵位置。對於(yu) 每個(ge) 施加的電壓，fDEP頻率被連續掃描從(cong) 1到20MHz，然後回到1MHz，同時測量下遊阻抗陣列的|Z|。如圖5所示，當界麵以交越頻率（COF）為(wei) 中心時，三種電壓下的|Z|均為(wei) 32.5k。

高導電的PBS流覆蓋了阻抗傳(chuan) 感器表麵的大部分，在5Vpp的外加電壓下，阻抗從(cong) 25k降低到15k。當fDEP頻率增加到交越頻率（COF）以上時，高介質流體(ti) 覆蓋傳(chuan) 感器表麵的大部分，|Z|增加到45k.當電界麵受到較大的位移電壓的影響時，阻抗也會(hui) 受到影響。

這種增加在高頻率(>COF)尤其明顯，因為(wei) 低導電、高介電AHA緩衝(chong) 器覆蓋了阻抗傳(chuan) 感器的更大區域。為(wei) 了可視化界麵，我們(men) 捕獲了在5、10和15Vpp電壓下施加20mhz交流電場時界麵的三維共聚焦顯微圖。如圖5的顯微圖所示，隨著施加電壓的增加，AHA流（紅色）覆蓋了一個(ge) 更大的電極麵積。雖然在高頻時阻抗隨著電壓的增加有很大的變化，但三個(ge) |Z|數據集在低頻時的影響不那麽(me) 大（

如圖6b所示，我們(men) 可以看到兩(liang) 種流體(ti) 係統在相同的無量綱阻抗|Z|*結束，但它們(men) 的COF不同，並隨著界麵電導率的增加而增加，這與(yu) 之前的fDEP實驗一致。

圖4 不同fDEP界麵位置的阻抗|Z|相對於(yu) 国产成人在线观看免费网站激勵頻率的大小。為(wei) 了確定阻抗譜儀(yi) 的最佳頻率，我們(men) 進行了三次掃頻。當位移電極被1MHz施加時，高導電-低電介質（綠色）流覆蓋了更多的阻抗傳(chuan) 感器電極區域，阻抗幅度減小。當施加20MHz電場時，高介電-低導電（紅色）流占據較大的傳(chuan) 感電極麵積，阻抗增加。當場關(guan) 閉並国产成人在线观看免费网站交越頻率（COF）時，阻抗的大小保持不變。

圖6 在兩(liang) 種不同的界麵電導率差異下，500kHz激發頻率與(yu) fDEP頻率的阻抗。(a)不同国产成人在线观看免费网站頻率下的阻抗大小，1-20MHz。界麵電導率較小的界麵的測量阻抗較大。(b)兩(liang) 個(ge) 係統的阻抗大小都被呈現為(wei) 無量綱，以比較兩(liang) 個(ge) 數據集。阻抗測量能夠非光學地確定交越頻率（COF）隨著界麵電導率的增加而增加。

五．結論

本實驗采用的是利用阻抗譜檢測電動力學位移液體(ti) 界麵的方法。通過高於(yu) 和低於(yu) 臨(lin) 界交越頻率（COF），可以控製在層流界麵的兩(liang) 種流體(ti) 在微通道內(nei) 順流和偏轉流動，再通過配套的阻抗電極陣列來測量偏轉界麵的位置。此方法能夠檢測界麵位移，其分辨率與(yu) 共聚焦顯微鏡的實驗一致。如果配套對應的等效電路模型來解釋這種影響，並準確預測可以非光學測量界麵運動的檢測極限。

本文提出了一種利用阻抗譜檢測電動力學位移液體(ti) 界麵的新方法。利用交流電場，我們(men) 使用fDEP強迫層流流體(ti) 界麵通過微通道進行偏轉，然後使用下遊阻抗電極陣列測量偏轉界麵的位置。歡迎大家來電谘詢。

相關(guan) 文獻：

[1] Nicholas Mavrogiannis, Xiaotong Fu, Mitchell Desmond, Robert McLarnon,Zachary R. Gagnon，Monitoring microfluidic interfacial flows using impedance spectroscopy. ScienceDirect. Sensors and Actuators B 239 (2017) 218–225.

[2]  M. Desmond, N. Mavrogiannis, Z. Gagnon, Maxwell-wagner polarization and frequency-dependent injection at aqueous electrical interfaces, Phys. Rev.Lett. 109 (2012) 187602.

[31]  N. Mavrogiannis, M. Ibo, X. Fu, F. Crivellari, Z. Gagnon, Microfluidics made easy: a robust low-cost constant pressure flow controller for engineers and cell biologists, Biomicrofluidics 10 (2016) 034107, http://dx.doi.org/10.1063/1.4950753.

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