综述：生物微系统中介电泳和电渗流的微电极设计与制造
2025-04-28 15:19:24 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文重点介绍了用于介电泳（DEP）和电渗流（EOF）的微电极的设计与制造，这些都是在微流控器件中实现微粒与微流体操控的关键技术。介电泳依赖非均匀电场，根据微粒的介电特性进行操控；而电渗流则利用均匀电场在微通道中产生稳定的流体流动。
微流控技术作为一个多学科交叉领域，融合了流体力学、电子学、材料科学等多个学科，使得对微小体积液体和微粒的精确操控成为可能，已被广泛应用于各类生物领域。在集成到微流控系统的多种能源形式中，电场在实现微尺度精确操控方面尤其具有优势。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国斯坦福大学、伊利诺伊大学芝加哥分校和孟菲斯大学的研究人员组成的团队在Micromachines期刊上发表了题为“Design and Fabrication of Microelectrodes for Dielectrophoresis and Electroosmosis in Microsystems for Bio-Applications”的综述论文，重点介绍了用于介电泳（DEP）和电渗流（EOF）的微电极的设计与制造，这些都是在微流控器件中实现微粒与微流体操控的关键技术。介电泳依赖非均匀电场，根据微粒的介电特性进行操控；而电渗流则利用均匀电场在微通道中产生稳定的流体流动。
研究人员探讨了微电极制造方面的进展，包括光刻、软光刻和新兴的非洁净室技术。此外，他们还探讨了快速原型开发、非接触式电极和三维结构等创新方法，以及导电聚合物、碳基复合材料等材料选择的相关问题。文中还分析了微电极在提升器件功能性、可扩展性和可靠性方面所起的作用。最后，本综述指出了当前面临的挑战，包括需要提高制造的可重复性和多功能集成，并提出了未来潜在的研究方向，以进一步优化基于介电泳和电渗流的生物微系统，使其适用于先进的生物医学与诊断应用。
介电泳是由非均匀电场与介电微粒相互作用所引起的。这种相互作用会产生一种力，诱导微粒相对于悬浮介质运动，其方向和大小取决于微粒与周围流体的介电特性以及电场梯度的分布（见图1）。当微粒被吸引到高电场强度区域时，这种现象称为正介电泳（pDEP）；相反，当微粒被排斥出高电场强度区域、并向低电场强度区域移动时，则称为负介电泳（nDEP）。基于不同微粒的介电特性，通过调控pDEP与nDEP所引发的微粒运动可实现对细胞与纳米微粒的精确操控，并应用于多个生物领域，包括微粒与细胞分选、生物标志物富集、成像旋转、单细胞分析捕获等。
与介电泳的非均匀电场不同，电渗流是另一种关键的电动（electrokinetic）现象，其特征是液体在外加电场作用下相对于带电静止表面发生移动。这种流动是由通道壁的电双层中离子的相互作用引起的，导致被称为电渗流的大量液体流动。与微通道中的压力驱动流（PDF）不同，电渗流在整个通道中呈栓塞式（plug-like）且均匀流动，最大程度地减少了分散并增强了微流控系统中的分析物传输。其可控性使其适用于微全分析系统（μTAS）中的流体处理和样品注入。
图1 介电泳和电渗流原理的示意图
介电泳和电渗流在微流控系统中的有效性在很大程度上依赖于微电极的设计与制造，微电极产生的电场可用于驱动这些电动现象。制造工艺包括使用光刻、薄膜沉积和蚀刻等技术将微电极精确地图案化到衬底上。利用这些工艺可以制备出具有各种不同几何结构和材料的微电极，以优化介电泳所需的电场梯度，或实现电渗流控制所需的均匀电场。
本综述系统地介绍了最新的微电极制造技术、材料选择及设计策略，旨在为生物应用中的微尺度系统中介电泳与电渗流性能的优化提供参考。图2展示了微流控器件中的电极配置和制造方法概述。
图2 微流控器件中的电极配置和制造方法概述
用于介电泳的微电极
为了实现低成本、高效率的电动微流控器件制造工艺，近年来开发了多种非洁净室制造方法。这些方法为传统洁净室工艺提供了替代方案，使快速原型开发成为可能。这类创新技术无需使用传统的微电极制造工艺，依然能够实现对电场的精确操控。
尽管这些非洁净室方法在成本效益和快速原型开发方面具有明显优势，但它们往往存在一些问题，例如微电极的分辨率较低、沉积过程存在变异性以及长期稳定性较差。这些局限性可能会影响器件的重复性与可扩展性，从而对其与更复杂微流控系统的集成带来挑战。
图3 非洁净室微电极制造工艺示例
与传统的电极不同，非接触式导电电极被隔离在不与主微流控通道共用入口或出口的通道内，以防止污染并提高器件可靠性。研究人员总结了非接触式导电电极及其在微流控器件中的生物应用。
当电场作用于三维（3D）微结构的相对面时，3D微结构可以有效地起到绝缘体的作用。这些绝缘体与外加电场相互作用，在每个3D微结构周围产生非均匀电场。这种不均匀性会诱发介电泳现象，从而实现对系统内微粒或细胞的精确操控。通过利用微结构的几何特性，这种方法简化了整体设计流程，无需传统电极图案化所需的复杂制造技术。相反，绝缘体本身就是电场梯度的来源，为细胞分拣、微粒捕获和生物分析等各种生物微系统应用提供了经济高效、可扩展的解决方案。
与3D电极部分中讨论的基于绝缘体的电场产生方式不同，2D电极可直接产生电场，它们可分为两种主要类型：侧壁电极和自下而上（bottom-up）电极。研究人员重点介绍了2D电极的常见制造工艺，这些工艺通常依赖于金属沉积、光刻和蚀刻等技术。此外，还深入探讨了这些制造工艺的具体细节，并分析其与特定电极设计之间的关系。
电旋转（Electro-rotation）是通过施加由非对称电极排列所产生的非均匀电场来实现的。非对称布置的电极会产生介电泳力，从而在微粒上产生扭矩，诱导其发生受控的旋转运动。这种旋转运动可以通过调节电场的频率、幅值或相位来精确操控。电诱导的旋转可用于多种目的，例如混合流体、定向各向异性微粒（例如细胞或纳米微粒），或增强微粒与电极表面之间的相互作用。电极的设计与制造方法使得对旋转行为的精细操控成为可能，从而适用于多个与生物相关的应用领域，例如单细胞分析、纳米微粒操控以及增强的生化反应等。研究人员重点介绍了电旋转中的电极制造方面的最新进展及其在生物工程应用中的重要影响。
图4 不同微电极配置和制造工艺实现的电旋转示例
用于电渗流的微电极
电渗流是电动微流控系统中的关键机制，可实现用于微粒分离、生化分析和诊断等的精确流体操控。电渗流器件的制造工艺通常包括微通道、电极和表面涂层的集成，以优化流动特性和性能。用于流体操控的电场一般通过平面微电极产生，这些电极通常嵌入在微通道下方。这种配置确保了均匀的电场分布和一致的流体流动。电极与通道几何结构的精准对齐进一步提高了电渗流的可靠性与功能性。研究人员介绍了基于电渗流的微流控器件设计的各种制造方法。
基于电渗流的器件通常采用光刻、PDMS软光刻以及软光刻等工艺进行制造。例如，便携式微流控器件集成了通过软光刻制造的ITO涂层玻璃电极，用于多功能电场调节，如图5A所示。另一个案例是利用交流电渗流（ACEO）的新型微混合器，其采用了通过光刻和电子束蒸发技术在硼硅酸盐玻璃衬底上制备而成的三指式正弦形金电极（图5B）。除了光刻之外，研究人员还介绍了其余多种替代制造方法来构建电渗流平台的电极。
图5 多功能电场调节的便携式微流控器件和利用交流电渗流的微混合器示意图
小结
综上所述，该综述强调了微电极设计与制造在推进生物应用的介电泳和电渗流微流控器件中的关键作用。通过集成先进材料、创新制造技术以及精确的微电极结构配置，这些器件的性能和多功能性得到了显著提升，使其能够有效应对医疗诊断、微粒操控及生化分析等方面的挑战。软光刻、光刻以及新兴的非洁净室技术等制造方法的最新进展促进了具有成本效益和可扩展的微流控器件的开发。包括快速原型开发、液体非接触式电极和三维电极结构在内的创新方案实现了对电场的精确操控，不仅提升了器件的功能，还拓展了其应用范围。诸如氧化铟锡（ITO）、碳复合材料和导电聚合物等材料的应用也进一步增强了微电极与微流控系统的兼容性。
尽管取得了诸多进展，当前仍面临一些挑战，包括提升制造效率与重复性、减少焦耳热效应，以及实现大规模生产的可扩展性等。此外，还需要进一步探索多功能性能的集成，例如混合电动力和增强传感机制，以充分释放介电泳和电渗流在下一代微流控器件中的潜力。未来的研究可以通过结合新兴的制造技术，例如3D打印和纳米光刻，以及将新型材料和配置与微流控系统集成以提高器件性能，来探索解决这些局限性。这些领域的进展有望进一步推进基于介电泳和电渗流的微流控平台的发展，为生物医学研究、即时诊断和生化分析领域的创新提供支持。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi16020190
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