介电泳驱动的微流控芯片技术：原理、加工与生物医学应用

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1. 引言

微流控技术作为 Lab-on-a-chip（LOC）的核心支撑，已在生命科学、生物医药、环境监测等领域实现广泛应用，其核心优势在于能够在微尺度空间内精准操控流体与微粒，满足高通量、低消耗的分析需求。器官芯片、3D 细胞培养芯片等新型微流控器件的兴起，进一步推动了临床诊断、药物筛选等场景的技术革新。在众多微粒操控技术中，介电泳（DEP）凭借无标记、易集成、适配微尺度的特性，成为微流控芯片中细胞、纳米颗粒、生物分子操控的关键手段。本文基于 DEP 技术的核心原理，结合微流控芯片的加工工艺与实际应用，系统解读其技术逻辑与行业发展方向，为相关领域的研发与产业化提供参考。

图1. 非均匀电场存在时感应偶极子上的介电泳力。(A) 正向介电泳；(B) 反向介电泳。

2. 介电泳（DEP）技术核心原理与分类

1) 基本原理

介电泳是指微粒在非均匀电场中，通过自身偶极子与电场空间梯度的相互作用产生定向运动的现象。微粒的偶极子包括固有偶极子和外电场诱导产生的诱导偶极子，其运动方向由微粒与悬浮介质的极化率差异决定：当微粒极化率高于介质时，微粒向电场强度最大值区域移动（正 DEP，p-DEP）；反之则向电场最小值区域移动（负 DEP，n-DEP）。DEP 力的大小与微粒体积、电场强度梯度、 Clausius-Mossotti（CM）因子直接相关，这一特性使其能够根据微粒尺寸、电学性质实现精准分选与操控。

图2. 介电球体的DEP光谱。(A) 情况(i)：\(\sigma_{p}>\sigma_{m}\) 和 \(\varepsilon_{p}<\varepsilon_{m}\)。(B) 情况(ii)：\(\sigma_{p}<\sigma_{m}\) 和 \(\varepsilon_{p}>\varepsilon_{m}\)

2) 技术分类与特性

图3. 粒子的行波介电泳（twDEP）运动示意图。

根据驱动电场类型，DEP 技术主要分为直流介电泳（DC-DEP）和交流介电泳（AC-DEP）两类，二者在微流控芯片中的应用各有侧重：

DC-DEP 通过外置电极施加直流电压，依托微通道内的绝缘障碍（如 PDMS 浇筑的微柱结构）产生非均匀电场，即绝缘体型介电泳（iDEP）。其优势在于芯片结构简单、无内置电极污染风险，但需高电压驱动，可能引发焦耳热与气泡生成，需通过 PDMS 芯片的良好散热特性与微通道优化设计缓解。
AC-DEP 采用内置金属电极阵列，通过低频至高频交流电压产生电场，无需高电压即可避免焦耳热问题，适配生物样本（如活细胞）的长期操控。电极阵列的制备依赖 MEMS 微纳加工技术，包括紫外光刻、电子束蒸发等工艺，常用 SU8 光刻胶模具实现高精度电极图案化。

3. 微流控芯片加工关键技术与设备集成

DEP 技术的落地高度依赖微流控芯片的加工精度与功能适配性，核心加工环节与关键设备围绕 PDMS 芯片、MEMS 电极、表面修饰三大核心展开：

图7. 基于介电泳的微流控器件示意图：（A）通过绝缘障碍产生的非均匀电场，（B）通过不对称电极产生的非均匀电场（灰色箭头表示负介电泳力的方向）。

1) PDMS 芯片制备与成型

PDMS（聚二甲基硅氧烷）是微流控芯片的主流基材，其制备流程涵盖模具制作、浇筑、固化、键合等步骤。模具加工常用 SU8 光刻胶或纯硅模具，通过光刻机（如紫外掩膜光刻机）实现微通道、绝缘障碍等结构的精准复刻；PDMS 浇筑需使用专用浇筑器控制厚度均匀性，固化后通过 PDMS 键合机与玻璃或 PDMS 基板实现不可逆键合，键合过程中需借助对准平台保证微通道与电极的精准对位。此外，PDMS 芯片的功能扩展还涉及打孔器、热板、烘箱等辅助设备，形成从基材处理到成品检测的完整加工链。

2) MEMS 微纳加工与电极制备

AC-DEP 芯片的核心是内置电极阵列，其加工依赖 MEMS 微纳加工平台的全套技术。首先通过光刻工艺在硅片或玻璃基板上定义电极图案，使用电子束蒸发或化学气相沉积技术沉积金属层（如金、铂），再经刻蚀工艺形成所需电极结构（平面电极或 3D 侧壁电极）。对于高通量需求，可采用 MEMS 代工服务实现电极阵列的批量生产，结合深硅刻蚀技术制作 3D 电极，提升 DEP 力的空间覆盖范围。

3) 表面修饰与性能优化

为提升微流控芯片的生物相容性与操控稳定性，需对芯片表面进行功能化修饰。常用修饰方式包括亲水修饰、环氧基修饰、醛基化修饰等，通过 PEG 修饰、氨基修饰等技术降低细胞与通道壁的非特异性吸附，或通过醛基修饰载玻片实现生物分子的固定。表面修饰技术与 PDMS 芯片的加工工艺协同，可显著改善 DEP 操控的精准度与重复性，尤其适配生物样本（如血液细胞、细菌）的长期培养与分析。

4. DEP 在微流控芯片中的核心应用场景

1) 生物微粒分离与分选

DEP 技术凭借对微粒尺寸、电学性质的高敏感性，成为细胞、细菌、病毒分离的核心手段。在细胞培养芯片中，可通过 DC-DEP 的绝缘障碍结构实现不同尺寸肿瘤细胞与白细胞的分离，或利用 AC-DEP 的频率调控特性，基于细胞 dielectric 签名差异分选活细胞与死细胞。例如，在 3D 细胞培养芯片中，DEP 力可辅助干细胞在微通道内的精准定位，为类器官构建提供均匀的细胞初始分布；在器官芯片中，DEP 技术可实现血管内皮细胞的定向排列，模拟体内血管结构。

2) 纳米颗粒与生物分子操控

对于碳纳米管、量子点、DNA 等纳米尺度物质，DEP 技术能够实现高效捕获、浓缩与图案化。在微流控芯片中，通过优化电极间距（如纳米级间隙）与电场频率，可对 200nm 以下的纳米颗粒进行精准操控，这一特性已应用于纳米药物递送系统的研发。此外，DEP 技术还可用于 DNA 分子的浓缩与分离，结合微流控芯片的微通道加工技术，实现核酸检测的高通量化与快速化。

3) 细胞图案化与组织工程

在组织工程领域，DEP 技术可驱动细胞在芯片表面形成特定图案，构建仿生组织模型。通过设计阵列化电极，利用 p-DEP 将细胞吸附至电极区域，形成均匀的细胞单层或多层结构，适配肝器官芯片、肺器官芯片等仿生器件的构建。PDMS 芯片的良好生物相容性与表面修饰技术（如胶原修饰）协同，可提升细胞图案的稳定性与功能性，为药物毒性检测、疾病模型构建提供可靠平台。

5. 技术挑战与未来发展趋势

1) 现存技术瓶颈

当前 DEP 微流控技术面临三大核心挑战：一是通量限制，传统芯片通道宽度与电极覆盖范围有限，难以满足临床样本的高通量分析需求；二是设备集成度低，现有系统依赖复杂的外置电源与检测设备，不利于手持化、点 – of-care 检测的实现；三是高导电介质适配性差，生物样本（如血液）的高导电性易导致 DEP 力减弱，限制了其临床应用场景。

2) 未来发展方向

针对上述挑战，行业发展将聚焦三大方向：

集成化与高通量设计：通过 3D 电极加工、多通道并行结构优化，结合 PDMS 芯片加工设备的规模化生产，提升芯片通量；开发多层总线设计的电极阵列，降低电阻损耗，实现高吞吐量微粒操控。
低成本与便携化：采用 MEMS 代工服务降低电极制备成本，利用 PDMS 等低成本材料实现芯片批量生产；集成微型电源与检测模块，开发手持化器官芯片分析设备。
功能拓展与兼容性提升：通过表面修饰技术（如碳纳米管涂层）优化芯片在高导电缓冲溶液中的性能；结合磁泳、声学操控等多场耦合技术，拓展微粒操控的适配范围，实现复杂样本的精准分析。

介电泳技术与微流控芯片的深度融合，为生物医学领域提供了精准、高效的微粒操控解决方案。PDMS 芯片的易加工性、MEMS 微纳加工的高精度、表面修饰的功能适配性，共同推动了 DEP 技术的产业化应用。从细胞分选、纳米颗粒操控到类器官构建，DEP 驱动的微流控芯片正逐步改变临床诊断、药物研发的技术范式。未来，随着加工工艺的成熟、设备集成度的提升与应用场景的拓展，该技术将在点 – of-care 检测、个性化医疗等领域发挥更大价值，成为微流控行业的核心增长点。

参考文献：DOI 10.1002/elps.201100167

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产品编号	外形（mm）	电极处流道		电极材质	电极厚度（nm）	芯片材质	价格（CNY）
产品编号	外形（mm）	高度（um）	宽度（mm）	电极材质	电极厚度（nm）	芯片材质	价格（CNY）
E0001	50*30	100	1	Cr+Au	5+100	PDMS+Glass	1300
E0002	21*10	100	0.8	Cr+Au	5+100	PDMS+Glass	1000
E0003	84*40	100	0.57	Cr+Au	5+100	PDMS+Glass	1300
E0004	45*22.5	100	0.75	Cr+Au	5+100	PDMS+Glass	1000

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