什么是芯片介电泳 (DEP)？

介电电泳 (DEP) 效应是可化粒子在非均匀电场（即电场）中的感应运动。DEP 是一种多功能机制，用于运输、捕获、分离和表征颗粒，例如细胞中的细胞微流体装置. 微流控介电泳芯片又名 DEP-on-a-chip 更难制造，因为需要将电与设备上的微流体通道对齐。为生物粒子操作应用有效的电场梯度通常需要电和微流体层之间的紧密对齐。然而，飞速发展的微流体的微制造技术在过去的二十年中，降低了微流体制造成本，帮助增加了 DEP-on-chip 产品进入市场的机会。DEP系统与微流体使目标生物颗粒的廉价、快速、高灵敏度、高选择性和无标记表征成为可能。这篇简短的评论提供了 DEP 理论、其操作策略、片上应用及其当前局限性的实用概述。

介电泳如何工作？

DEP 力和 CM 因子

DEP 是指非均匀电场与其在可化物体上引起的偶矩之间的相互作用力。球形粒子上的 DEP 力F DEP的大小在很大程度上取决于球体周围介质的介电常数、生物粒子的体积、电场强度梯度和克劳修斯-莫索蒂因子的实部 CM * . CM*是与粒子和介质的复介电常数相关的复变量。对于比介质更易化的粒子，其CM*因子的实部为正：Re[ CM* (ω)]>0 。这意味着目标会经历一个称为 pDEP 的正 DEP 力，将其移向强电场区域。另一方面，如果 Re[ CM*(ω)]<0 粒子经历负 DEP 力 nDEP，并移动到弱电场区域。图一说明了这些力量。有关详细分析的参考，请单击此处。

在设计 DEP 片上系统以成为特定于目标细胞类的过程中的两个重要参数是激发频率和介质的电导率。对目标细胞施加的力可以调整为正、零或负调整这些参数。这构成了使用 DEP 的片上分离平台的基础。该图表显示了频率 (ω=2πf) 和介质的电导率（图像中的不同线型）如何影响指定为人类单核细胞的 Re[ CM* (ω)] 和 Im[ CM* (ω)] 曲线的介电特征.

什么是电形状以及它们如何与片上 DEP 中的微流体集成？

DEP 在微流体设备中的有效性在很大程度上依赖于电场模式和梯度的设计。在这里，我们总结了一些流行的微流体 DEP 电设计。诱导 DEP 力所必需的电场梯度是通常由电的二维 (2D)、三维 (3D) 和基于缘体 (iDEP) 配置生成。2D 电通常使用传统光刻技术在微通道底部进行图案化，F DEP主要用于微通道底部微流体通道靠近电（本图中的 ae）。这种 2D 策略导致F DEP显着降低在垂直方向上，与到电的距离成反比。由于通道底部的 DEP 活动区域有限，这会降低吞吐量。另一种方法是使用 3D 电配置在通道的整个横截面区域诱导更强的 DEP 响应，从而更有效地迫使生物颗粒目标。可以使用更复杂的技术（图中的 fi）在微通道的底部/顶部表面或侧壁上制造 3D 电。另一种类型的 DEP 配置通过在微通道内使用任意数量的缘突起或障碍物（基于缘体的 DEP，或 iDEP）产生空间不均匀的电场，而无需任何嵌入式电，这大大降低了器件制造的复杂性（配置 j在图像中）。

DEP on a chip微流控器件文献综述

通过上图中的电设计 (a)，可以在细胞悬浮液的佳激发频率和电导率下实现基于 pDEP 和 nDEP 响应的细胞分离. S. Shim 等人。建立了范围广泛的主要哺乳动物细胞的 Re[ CM* ] 查找谱，用于在分选过程中选择交叉频率f CM 。进行了正负 DEP 分类，其中 pDEP 响应细胞将沿着叉指电附近底面的流动流动。另一方面，具有 nDEP 响应的细胞被推离底部电表面，并在升高的垂直位置与载液一起流动，称为场流分数 (FFF)。(b) 中所示的蜂窝状电图案通常用于表征高吞吐量下的交叉频率f CM [4]. 通过扫描激发频率，细胞可以经历 pDEP 或 nDEP 力，相应地将细胞吸引到电边缘或将细胞推到凹面区域。通过设计环形电阵列 (c)，细胞可以被 pDEP 或 nDEP 力捕获在电子笼或底部嵌入电的物理井中。对于 nDEP 细胞捕获，可以在低平均流速 (1 ?m/s) 下使用具有高电导率 (~1.5 S/m) 的常规生理缓冲液直接操作细胞，以平衡流体动力阻力. 斜交叉条纹电通常用于基于 nDEP 的细胞分选 (d)。当细胞流过每个倾斜的电条时，DEP 力和流体动力阻力之间的净力导致净运动朝向倾斜方向到达微通道的另一侧 .为了实时创建任意电图案，使用了像素化电 (e). 每个像素化电垫都可以单控制开/关，以允许使用通用的方法来操作单个细胞。然而，这种类型的微流体设备需要更复杂的微加工过程。

为了在设备的整个横截面区域创建 3D 电场，已经展示了几种电设计。设计（f、g 和 h）在顶部和底部基板上都有电图案，它们对齐形成 3D 电场隧道、棘轮或笼子，以提高其相应 2D 电设计的效率，例如 (d)。这种类型的设计大大提高了电池处理吞吐量，并且可以在高速流动。3D 电场也可以通过沿着微通道 (i) 的侧壁嵌入电来产生，用于高通量的正负 DEP 细胞分离 .为了避免细胞与电紧密接触，可以安排由缘体制成的微型柱以产生用于 pDEP 操作的局部强电场区域 (i) . 这种方法也称为基于缘体的 DEP (iDEP)。

当前的芯片设计 DEP 是否可以改进？

大量关于 DEP 的微流体研究产生了各种不同的电配置和操作策略，仅在上面的讨论中列出了一些。尽管过去取得了所有成就，但 DEP 系统可以在许多方面进一步改进，如下所述：

• • • 大多数 DEP 系统需要将细胞重新悬浮到低电导率介质 (10~100 ?S/m) 中，以减少样品悬浮液的焦耳热和电化学反应的风险。与具有电导率（1~10 S/m）的普通生理缓冲液相比，细胞在低电导率介质中长时间重悬可能对其生理功能产生负面影响。因此，在常规生理缓冲液中运行的高通量 DEP 系统是一个活跃的研究和商业化领域。
    • 将悬浮的纳米材料（例如碳纳米管）组装到预定位置有助于创建新型电子、光电和生物传感器设备。
    • 不同的 DEP 元素可以按顺序、流通方式组合，以创建能够处理、浓缩、分离和表征目标细胞的集成 DEP 微流体系统。