在生物化學(xué)應(yīng)用中，對(duì)細(xì)胞或顆粒進(jìn)行無鞘流聚焦和分選是一個(gè)重要的預(yù)處理步驟。以往的分選方法大多依賴于使用鞘流來實(shí)現(xiàn)高效的細(xì)胞聚焦。然而，鞘流的引入會(huì)稀釋并降低生物顆粒的活性，并需要通過額外的通道進(jìn)行精確的流量控制，于系統(tǒng)的搭建成本和復(fù)雜性不利。因此，如何實(shí)現(xiàn)無鞘流聚焦和分選一直是該領(lǐng)域需要解決的問題。

近期，西北工業(yè)大學(xué)吳玉潘副教授、王少熙教授課題組報(bào)道了一種新型方法：通過基于雙極性電極（BPE）的感應(yīng)電荷電滲（ICEO）流和介電泳（DEP）力以及聲輻射力的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)顆粒和細(xì)胞的無鞘流聚焦、偏移和分選。相關(guān)成果以“Bipolar Electrode-based Sheath-Less Focusing and Continuous AcousticSorting of Particles and Cells in an Integrated Microfluidic Device”為題發(fā)表在國(guó)際化學(xué)權(quán)威雜志Analytical Chemistry上。

基于以上方法，研究人員開發(fā)了一種簡(jiǎn)單低成本的集成式微流控芯片，其中包括細(xì)胞與顆粒的電場(chǎng)聚焦偏移與聲場(chǎng)分選兩個(gè)模塊，分別稱為模塊I與模塊II。如圖1所示，可以看到，該集成式微流控芯片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，包括一個(gè)用于樣品注射的入口和兩個(gè)用于分選和收集目標(biāo)顆粒的出口。模塊I中有兩個(gè)BPE，分別為BPE i和BPE ii。其中BPE i始終處于懸浮態(tài)，用于預(yù)聚焦顆粒或細(xì)胞；而BPE ii提供了與外電路的接口，可通電變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，用于偏移經(jīng)BPE i聚焦后形成的粒子束。而模塊II具有傾斜的叉指換能器（IDT），由于逆壓電效應(yīng)，在通道中形成了taSSAW，多條壓力波節(jié)線連續(xù)捕獲受到聲場(chǎng)作用力更大的顆粒，用于分選目標(biāo)顆粒。

圖1 （a）用于顆粒聚焦與分選的集成式微流控芯片工作原理示意圖；（b）BPE上的ICEO原理；（c）SSAW聲場(chǎng)形成原理。其中，AN為壓力波腹，PN為壓力波節(jié)。

該集成微流控芯片的3D示意圖、實(shí)物圖以及加電方式如圖2所示。

圖2 用于顆粒電場(chǎng)聚焦與聲場(chǎng)分選的集成式微流控芯片示意圖：（a）集成式聚焦分選微流控芯片的3D示意圖；（b）集成式聚焦分選微流控芯片實(shí)物圖；（c）圖（b）中紅色虛線區(qū)域I的顯微圖，即電場(chǎng)聚焦模塊的通道以及電極（指出了加電方式）；（d）圖（b）中紅色虛線區(qū)域II的顯微圖，即聲場(chǎng)分選模塊的通道以及電極（指出了加電方式）。

研究人員首先通過分選5 μm和8 μm PS微球來驗(yàn)證這種集成式微流控芯片的功能（圖3），然后通過改變BPE的電壓來精確調(diào)整粒子束以實(shí)現(xiàn)更高的分選性能（圖4）。為了驗(yàn)證對(duì)細(xì)胞的有效性，研究人員還對(duì)THP-1細(xì)胞和酵母細(xì)胞進(jìn)行了集成的無鞘流電場(chǎng)聚焦、偏移和聲學(xué)分選，獲得了比有鞘流聲學(xué)分選更好的性能（圖5）。

圖3 懸浮電極BPE ii未加電時(shí)，對(duì)8 μm 與5 μm PS微球的電場(chǎng)聚焦和聲場(chǎng)分選。



圖4 懸浮電極BPE ii接地時(shí)，對(duì)8 μm與5 μm PS微球的電場(chǎng)聚焦偏移和聲場(chǎng)分選。



圖5 對(duì)THP-1細(xì)胞與酵母菌的電場(chǎng)聚焦和聲場(chǎng)分選：（a）THP-1細(xì)胞和酵母菌的CM因子實(shí)部比較；（b）不同頻率（30 kHz ~ 40 MHz）下THP-1細(xì)胞和酵母菌在懸浮電極表面的平均DEP速度與ICEO流速的比較；（c-f）聚焦分選實(shí)驗(yàn)效果及統(tǒng)計(jì)分析。

綜上所述，研究人員提出了一種用于聚焦、偏移和分選細(xì)胞的無鞘流且穩(wěn)定的微流控方法。這種方法減少了使用的泵的數(shù)量和系統(tǒng)的體積，同時(shí)降低了成本，進(jìn)一步為以非接觸、生物相容和無標(biāo)簽的方式進(jìn)行無鞘流細(xì)胞分選提供了一種新的獨(dú)特途徑，在生物研究和疾病診斷中顯示出巨大的潛力。

審核編輯：劉清