據麥姆斯咨詢報道，近日，清華大學精密儀器系王文會課題組提出了一種基于毛細作用的大陣列液態金屬厚電極加工方法，并將制備的電極應用于緊湊和高通量介電泳微流控領域。該加工方法可按需制備任何數量的液態金屬厚電極圖案，將現有介電泳分離通量提高1個數量級，并有潛能繼續提高2個數量級。該成果以“Capillarity Enabled Large-Array Liquid Metal Electrodes for Compact and High-Throughput Dielectrophoretic Microfluidics”為題，在期刊《先進材料》（Advanced Materials）上發表，并被選為封面文章（Front Cover）。

研究背景與成果

在生物技術、細胞生物學和生物醫學分析中，高效分離生物粒子至關重要。傳統使用標記的方法存在設備昂貴、耗時和對下游分析的潛在影響等問題。微流控領域中的介電泳（DEP）技術作為一種無標記方法，提供了一種可控、低損傷、低成本的分離方案。然而，介電泳技術長期受到兩方面限制，一是低通量的限制，難以滿足實際臨床樣本的大樣本量處理需求；二是多依賴于尺寸差異進行分離，難以分離尺寸相近的生物粒子。

針對以上難題，清華大學精儀系儀器科學與技術研究所王文會課題組提出了一種獨特的微電極加工方法，采用液態金屬作為電極材料，通過在電極通道中設計不同閾值的毛細閥（CBVs）結構，從而實現對液態金屬的精準控制，在緊湊的介電泳微流控芯片中制造大陣列液態金屬厚電極（圖1）。

實驗證明，這種方法可以在拇指大小的空間中集成5000對液態金屬厚電極。在100微升每分鐘的高流速下，該芯片對流過5000對電極的PS微球產生顯著的介電泳累積作用（偏轉40微米），通量是同類技術的10倍；并具備基于粒子介電性質差異與尺寸差異的高通量分離能力，突破了介電泳對于尺寸相近的粒子樣本難以分離的局限。

圖1基于毛細作用制備的大陣列液態金屬厚電極微流控芯片

技術成果展示

本工作利用毛細閥（CBVs）提供的強大被動流體控制能力實現液態金屬厚電極自組裝（圖2）。電極通道通過具有高閾值壓強的小孔與樣品通道連接，小孔作為截止閥防止液態金屬進入樣品通道。此外，每組電極行和列的交叉點處放置了中等閾值壓強的毛細閥結構，充當被動切換閥，能在液態金屬流動時自動改變路徑。根據所設計的結構，當液態金屬注入電極通道時會按照預設路徑自動填充滿電極通道，形成緊湊的大陣列液態金屬厚電極。由于每組電極在液態金屬填充過程中具有相同的結構和工作條件，因此電極數量可以無限擴展。

圖2基于毛細閥的液態金屬電極陣列自組裝工作流程

制備液態金屬厚電極只需要普通注射器手動完成，自組裝過程方便快捷，成品率僅受芯片流道的質量影響。使用制備有5000對液態金屬厚電極的微流控芯片，驗證了粒子偏折的高通量能力。如圖3所示，電極陣列對高速流過的PS微球施加介電泳推力，5000對液態金屬厚電極的累積介電泳偏折（ADD）效應使得在最高100微升每分鐘（約0.28 m/s）的高通量場景下仍能實現約40微米的介電泳偏轉，該通量是當前技術所能實現通量的10倍。

圖3高通量介電泳PS微球偏折

該芯片進一步用于分離各種混合樣品，充分展示了其獨特的能力和廣泛的可用性。這些樣品包括尺寸差異較明顯的MCF7癌細胞和小鼠紅細胞、尺寸相近的MCF7癌細胞和馬白細胞、尺寸基本一致的HeLa癌細胞和A549人肺癌細胞，展示出芯片具有優異的基于介電性質差異和基于尺寸差異的分離能力。特別地，在模擬血液中循環腫瘤細胞（CTCs）分離的實驗中，以尺寸相近的人體外周血單核細胞PBMCs和A549的混合樣品為例，根據兩種細胞的介電特性計算，選擇100 kHz作為工作頻率，使PBMCs受到負介電泳力，A549細胞受到正介電泳力。在實驗過程中，樣品流速保持在70微升每分鐘，圖4展示了芯片出口處在有無介電泳作用對比下的細胞流線和概率密度分布，印證了A549細胞與PBMCs連續高速分離效果，展示出巨大的臨床應用潛能。

圖4高通量介電泳細胞分離

值得強調的是，在原理展示的基礎上，芯片電極數量和分離通量等指標還可以持續提升。電極結構可以靈活調整以適應特定的介電泳應用場景需求，其數量根據需要可以無限擴展；在芯片制作采用更堅固的封裝條件下，分離通量還可以提升多達2個量級。

綜上所述，本工作提出了一種簡便靈活的加工方法，在緊湊的微流控芯片中制備大陣列液態金屬厚電極，通過介電泳在各電極對的累積作用效應，實現高通量生物樣本（細胞）分離。基于毛細作用的液態金屬填充通道的方法為液態金屬自組裝成為復雜的圖案提供了新思路和新手段，其應用不局限于本研究中重點展示的微流控分離芯片，也可應用于其它需要液態金屬電極圖案的場合中，如柔性電子、功能材料等蓬勃發展的廣大領域。

本工作的完成單位為清華大學精密儀器系、精密測試技術與儀器全國重點實驗室。精儀系博士研究生柴惠超為第一作者，精密儀器系王文會副教授與合肥工業大學黃亮副教授為共同通訊作者。中國人民解放軍總醫院吳其艷研究員、鞠忠建研究員、精儀系博士生朱焌文、豐泳翔、梁非為論文工作做出了重要貢獻。本研究得到了國家自然科學基金的資助。