基于双电场叠加效应的诱导电荷电渗调控方法

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.08.001

摘要/Abstract

摘要：

为了从多种细胞群体中提取纯净细胞群或者从复杂的样本中提取所需成分，提出了一种基于双电场叠加效应的诱导电荷电渗调控新方法，研究诱导电荷电渗漩涡的重塑机理及其颗粒操控性能.首先，建立多物理场耦合仿真模型并研究双电场叠加作用下诱导电荷电渗漩涡的非对称演变机理.其次，设计并加工颗粒操控器件，搭建颗粒操控实验系统.然后，研究不同电压下非对称诱导电荷电渗漩涡对单种颗粒的聚集和纵向偏移特性.最后，研究非对称诱导电荷电渗漩涡对不同颗粒的聚集和分离特性.结果表明：此方法能够以简单的控制方式实现微尺度颗粒的聚集、偏移和分离，其在环境检测、疾病诊断领域方面具有巨大的应用潜力.

关键词: 诱导电荷电渗, 双极性电极, 颗粒聚集, 颗粒分离, 微流控器件

Abstract:

In order to extract pure cell populations from multiple cell populations or to extract the required components from complex samples， a novel regulation method of induced?charge electro?osmotic （ICEO） is proposed， based on the superposition effect of dual electric fields， to study the remodeling mechanism of the ICEO vortex and its particle control performance. Firstly， a multi?physical coupling simulation model is established and the asymmetric evolution mechanism is studied. Secondly， the particle control device is designed and processed， and the particle control experimental system is built. Then， the aggregation and longitudinal migration characteristics of single particle induced by asymmetrically ICEO vortices at different voltages are studied. Finally， aggregation and separation characteristics of various particles within the asymmetric ICEO vortices are explored. The results show that this method can achieve the aggregation， migration and separation of micro?scale particles in a simple control way， and it has great application potential in the field of environmental detection and disease diagnosis.

Key words: induced?charge electro?osmosis（ICEO）, bipolar electrode, particle aggregation, particle separation, microfluidic device

中图分类号:

R 331.3

陈晓明, 沈默, 刘顺, 赵勇. 基于双电场叠加效应的诱导电荷电渗调控方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(8): 1065-1072.

Xiao-ming CHEN, Mo SHEN, Sun LIU, Yong ZHAO. Regulation Method of Induced-Charge Electro-Osmosis Based on Superposition Effect of Dual Electric Fields[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(8): 1065-1072.

图/表 13

图1 双电场叠加效应下诱导电荷电渗漩涡的形成机理

Fig. 1 Formation mechanism of induced?charge electro?osmosis （ICEO） vortex based on superposition effect of dual electric fields（a）—单电场作用下双电层形成；（b）—单电场作用下对称漩涡；（c）—双电场作用下双电层形成；（d）—双电场作用下非对称漩涡的Clausius-Mossotti因子［24-25］.

图2 颗粒操控器件示意图（a）—颗粒操控器件示意图；（b）—通道和电极配置结构.

Fig. 2 Schematic of particle control device

图3 颗粒操控器件照片（a）—颗粒操控器件照片；（b）—通道和电极配置.

Fig. 3 Photograph of particle control device

图4 颗粒操控实验系统

Fig. 4 Experimental system of particle control

图5 不同电场作用下的电势分布（a）—上游电场作用下；（b）—下游电场作用下；（c）—上游和下游电场作用下.

Fig. 5 Potential distribution under different electric fields

图6 图5中各截面上游诱导电荷电渗漩涡分布（a）—截面Ⅰ；（b）—截面Ⅱ；（c）—截面Ⅲ；（d）—截面Ⅳ；（d）—截面Ⅴ；（f）—截面Ⅵ；（g）—截面Ⅶ；（h）—截面Ⅷ.

Fig. 6 Upstream ICEO vortex distribution at different cross sections in Fig.5

图7 下游诱导电荷电渗漩涡分布（a）—上、下游电场同时作用下的电势分布；（b）—X-Z截面Ⅰ；（c）—X-Z截面Ⅱ；（d）—X-Z截面Ⅲ；（e）—X-Z截面Ⅳ；（f）—X-Z截面Ⅴ；（g）—X-Z截面Ⅵ.

Fig. 7 Downstream ICEO vortex distribution

图8 图7中不同截面处流体流速（a）—Y轴方向；（b）—Z轴方向.

Fig. 8 Flow rate at different cross sections in Fig.7

图9 不同电压下流体流速（a）—Y轴方向；（b）—Z轴方向.

Fig. 9 Flow rate under different voltages

图10 粒子追踪轨迹图（a）—上游电极施加3 V电压，下游电极施加3 V电压；（b）—上游电极施加3 V电压，下游电极施加9 V电压.

Fig. 10 Particle tracking trajectory diagram

图11 二氧化硅颗粒的聚集与偏移特性照片（a）—A2=0 V；（b）—A2=1 V；（c）—A2=2 V；（d）—A2=3 V；（e）—A2=4 V；（f）—A2=5 V；（g）—A2=6 V；（h）—A2=7 V；（i）—A2=8 V；（j）—A2=9 V.

Fig. 11 Photos of aggregation and deflection characteristics of silica particles

图12 二氧化硅颗粒和PMMA颗粒的聚集和分离照片（a）—A2=0 V；（b）—A2=1 V；（c）—A2=2 V；（d）—A2=3 V；（e）—A2=4 V；（f）—A2=5 V；（g）—A2=6 V；（h）—A2=7 V；（i）—A2=8 V；（j）—A2=9 V.

Fig. 12 Photos of aggregation and separation of silica particles and PMMA particles

图13 二氧化硅颗粒和酵母细胞的聚集和分离照片（a）—A2=0 V；（b）—A2=1 V；（c）—A2=2 V；（d）—A2=3 V；（e）—A2=4 V；（f）—A2=5 V；（g）—A2=6 V；（h）—A2=7 V；（i）—A2=8 V；（j）—A2=9 V.

Fig. 13 Photos of aggregation and separation of silica particles and yeast cells

参考文献 27

1	Hur S C， Henderson‑MacLennan N K， McCabe E R B，et al.Deformability‑based cell classification and enrichment using inertial microfluidics［J］.Lab on a Chip，2011，11（5）：912-920.
2	Jeong G S， Chung S， Kim C B，et al.Applications of micromixing technology［J］.The Analyst，2010，135（3）：460-473.
3	Choi S.Hydrophoresis—a microfluidic principle for directed particle migration in flow［J］.BioChip Journal，2020，14（1）：72-83.
4	Cai G Z， Xue L， Zhang H L，et al.A review on micromixers［J］.Micromachines，2017，8（9）：274-301.
5	Li W， Zhang L Y， Ge X H，et al.Microfluidic fabrication of microparticles for biomedical applications［J］.Chemical Society Reviews，2018，47（15）：5646-5683.
6	Sajeesh P， Sen A K.Particle separation and sorting in microfluidic devices：a review［J］.Microfluidics and Nanofluidics，2014，17（1）：1-52.
7	Yeo L Y， Chang H C， Chan P P，et al.Microfluidic devices for bioapplications［J］.Small，2011，7（1）：12-48.
8	Holm S H， Beech J P， Barrett M P，et al.Separation of parasites from human blood using deterministic lateral displacement［J］.Lab on a Chip，2011，11（7）：1326-1332.
9	Bruus H.Acoustofluidics 7：the acoustic radiation force on small particles［J］.Lab on a Chip，2012，12（6）：1014-1021.
10	Liu G L， Kim J， Lu Y，et al.Optofluidic control using photothermal nanoparticles［J］.Nature Materials，2006，5（1）：27-32.
11	Pamme N.Magnetism and microfluidics［J］.Lab on a Chip，2006，6（1）：24-38.
12	Gillams R J， Calero V， Fernandez‑Mateo R，et al.Electrokinetic deterministic lateral displacement for fractionation of vesicles and nano‑particles［J］.Lab on a Chip，2022，22（20）：3869-3876.
13	Choi S， Chae J.Methods of reducing non‑specific adsorption in microfluidic biosensors［J］.Journal of Micromechanics and Microengineering，2010，20（7）：075015.
14	Wang X L， He X Y， He Z H，et al.Detection of prostate specific antigen in whole blood by microfluidic chip integrated with dielectrophoretic separation and electrochemical sensing［J］.Biosensors Bioelectronics，2022，204：114057.
15	Rosenfeld T， Bercovici M.Dynamic control of capillary flow in porous media by electroosmotic pumping［J］.Lab on a Chip，2019，19（2）：328-334.
16	Draz M S， Uning K， Dupouy D，et al.Efficient AC electrothermal flow （ACET） on‑chip for enhanced immunoassays［J］.Lab on a Chip，2023，23（6）：1637-1648.
17	Jain M， Yeung A， Nandakumar K.Efficient micromixing using induced‑charge electroosmosis［J］.Journal of Microelectromechanical Systems，2009，18（2）：376-384.
18	Ren Y K， Liu J W， Liu W Y，et al.Scaled particle focusing in a microfluidic device with asymmetric electrodes utilizing induced‑charge electroosmosis［J］.Lab on a Chip，2016，16（15）：2803-2812.
19	Chen X M， Ren Y K， Liu W Y，et al.A simplified microfluidic device for particle separation with two consecutive steps：induced charge electro‑osmotic prefocusing and dielectrophoretic separation ［J］.Analytical Chemistry，2017，89（17）：9583-9592.
20	Squires T M.Induced‑charge electrokinetics：fundamental challenges and opportunities［J］.Lab on a Chip，2009，9（17）：2477-2483.
21	Chen X M， Ren Y K， Hou L K，et al.Induced charge electro‑osmotic particle separation［J］.Nanoscale，2019，11（13）：6410-6421.
22	Necasova S.Asymptotic properties of the steady fall of a body in viscous fluids［J］.Mathematical Methods in the Applied Sciences，2004，27（17）：1969-1995.
23	任玉坤，敖宏瑞，顾建忠，等.面向微系统的介电泳力微纳粒子操控研究［J］.物理学报，2009，58（11）：7869-7877.
	Ren Yu‑kun， Ao Hong‑rui， Gu Jian‑zhong，et al.Microparticles manipulation based on dielectrophoresis in microsystem［J］.Acta Physica Sinica，2009，58（11）：7869-7877.
24	Urdaneta M， Smela E.Multiple frequency dielectrophoresis［J］.Electrophoresis，2007，28（18）：3145-3155.
25	Gierhart B C， Howitt D G， Chen S J，et al.Frequency dependence of gold nanoparticle superassembly by dielectrophoresis［J］.Langmuir，2007，23（24）：12450-12456.
26	Varshney R， Gill A K， Alam M，et al.Fluid actuation and buoyancy driven oscillation by enzyme‑immobilized microfluidic microcapsules［J］.Lab on a Chip，2021，21（22）：4352-4356.
27	Shen C Q， Liu F F， Wu L Y，et al.Dripping，jetting and regime transition of droplet formation in a buoyancy‑assisted microfluidic device［J］.Micromachines，2020，11（11）：962-978.