据麦姆斯咨询报道，近日，清华大学精密仪器系王文会课题组提出了一种基于毛细作用的大阵列液态金属厚电极加工方法，并将制备的电极应用于紧凑和高通量介电泳微流控领域。该加工方法可按需制备任何数量的液态金属厚电极图案，将现有介电泳分离通量提高1个数量级，并有潜能继续提高2个数量级。该成果以“Capillarity Enabled Large-Array Liquid Metal Electrodes for Compact and High-Throughput Dielectrophoretic Microfluidics”为题，在期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表，并被选为封面文章（Front Cover）。


研究背景与成果


在生物技术、细胞生物学和生物医学分析中，高效分离生物粒子至关重要。传统使用标记的方法存在设备昂贵、耗时和对下游分析的潜在影响等问题。微流控领域中的介电泳（DEP）技术作为一种无标记方法，提供了一种可控、低损伤、低成本的分离方案。然而，介电泳技术长期受到两方面限制，一是低通量的限制，难以满足实际临床样本的大样本量处理需求；二是多依赖于尺寸差异进行分离，难以分离尺寸相近的生物粒子。


针对以上难题，清华大学精仪系仪器科学与技术研究所王文会课题组提出了一种独特的微电极加工方法，采用液态金属作为电极材料，通过在电极通道中设计不同阈值的毛细阀（CBVs）结构，从而实现对液态金属的精准控制，在紧凑的介电泳微流控芯片中制造大阵列液态金属厚电极（图1）。


实验证明，这种方法可以在拇指大小的空间中集成5000对液态金属厚电极。在100微升每分钟的高流速下，该芯片对流过5000对电极的PS微球产生显著的介电泳累积作用（偏转40微米），通量是同类技术的10倍；并具备基于粒子介电性质差异与尺寸差异的高通量分离能力，突破了介电泳对于尺寸相近的粒子样本难以分离的局限。

图1基于毛细作用制备的大阵列液态金属厚电极微流控芯片


技术成果展示


本工作利用毛细阀（CBVs）提供的强大被动流体控制能力实现液态金属厚电极自组装（图2）。电极通道通过具有高阈值压强的小孔与样品通道连接，小孔作为截止阀防止液态金属进入样品通道。此外，每组电极行和列的交叉点处放置了中等阈值压强的毛细阀结构，充当被动切换阀，能在液态金属流动时自动改变路径。根据所设计的结构，当液态金属注入电极通道时会按照预设路径自动填充满电极通道，形成紧凑的大阵列液态金属厚电极。由于每组电极在液态金属填充过程中具有相同的结构和工作条件，因此电极数量可以无限扩展。

图2基于毛细阀的液态金属电极阵列自组装工作流程


制备液态金属厚电极只需要普通注射器手动完成，自组装过程方便快捷，成品率仅受芯片流道的质量影响。使用制备有5000对液态金属厚电极的微流控芯片，验证了粒子偏折的高通量能力。如图3所示，电极阵列对高速流过的PS微球施加介电泳推力，5000对液态金属厚电极的累积介电泳偏折（ADD）效应使得在最高100微升每分钟（约0.28 m/s）的高通量场景下仍能实现约40微米的介电泳偏转，该通量是当前技术所能实现通量的10倍。

图3高通量介电泳PS微球偏折


该芯片进一步用于分离各种混合样品，充分展示了其独特的能力和广泛的可用性。这些样品包括尺寸差异较明显的MCF7癌细胞和小鼠红细胞、尺寸相近的MCF7癌细胞和马白细胞、尺寸基本一致的HeLa癌细胞和A549人肺癌细胞，展示出芯片具有优异的基于介电性质差异和基于尺寸差异的分离能力。特别地，在模拟血液中循环肿瘤细胞（CTCs）分离的实验中，以尺寸相近的人体外周血单核细胞PBMCs和A549的混合样品为例，根据两种细胞的介电特性计算，选择100 kHz作为工作频率，使PBMCs受到负介电泳力，A549细胞受到正介电泳力。在实验过程中，样品流速保持在70微升每分钟，图4展示了芯片出口处在有无介电泳作用对比下的细胞流线和概率密度分布，印证了A549细胞与PBMCs连续高速分离效果，展示出巨大的临床应用潜能。

图4高通量介电泳细胞分离


值得强调的是，在原理展示的基础上，芯片电极数量和分离通量等指标还可以持续提升。电极结构可以灵活调整以适应特定的介电泳应用场景需求，其数量根据需要可以无限扩展；在芯片制作采用更坚固的封装条件下，分离通量还可以提升多达2个量级。


综上所述，本工作提出了一种简便灵活的加工方法，在紧凑的微流控芯片中制备大阵列液态金属厚电极，通过介电泳在各电极对的累积作用效应，实现高通量生物样本（细胞）分离。基于毛细作用的液态金属填充通道的方法为液态金属自组装成为复杂的图案提供了新思路和新手段，其应用不局限于本研究中重点展示的微流控分离芯片，也可应用于其它需要液态金属电极图案的场合中，如柔性电子、功能材料等蓬勃发展的广大领域。


本工作的完成单位为清华大学精密仪器系、精密测试技术与仪器全国重点实验室。精仪系博士研究生柴惠超为第一作者，精密仪器系王文会副教授与合肥工业大学黄亮副教授为共同通讯作者。中国人民解放军总医院吴其艳研究员、鞠忠建研究员、精仪系博士生朱焌文、丰泳翔、梁非为论文工作做出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金的资助。