微流控技術作為一個多學科交叉領域，融合了流體力學、電子學、材料科學等多個學科，使得對微小體積液體和微粒的精確操控成為可能，已被廣泛應用于各類生物領域。在集成到微流控系統的多種能源形式中，電場在實現微尺度精確操控方面尤其具有優勢。
據麥姆斯咨詢報道，近日，美國斯坦福大學、伊利諾伊大學芝加哥分校和孟菲斯大學的研究人員組成的團隊在Micromachines期刊上發表了題為“Design and Fabrication of Microelectrodes for Dielectrophoresis and Electroosmosis in Microsystems for Bio-Applications”的綜述論文，重點介紹了用于介電泳（DEP）和電滲流（EOF）的微電極的設計與制造，這些都是在微流控器件中實現微粒與微流體操控的關鍵技術。介電泳依賴非均勻電場，根據微粒的介電特性進行操控；而電滲流則利用均勻電場在微通道中產生穩定的流體流動。
研究人員探討了微電極制造方面的進展，包括光刻、軟光刻和新興的非潔凈室技術。此外，他們還探討了快速原型開發、非接觸式電極和三維結構等創新方法，以及導電聚合物、碳基復合材料等材料選擇的相關問題。文中還分析了微電極在提升器件功能性、可擴展性和可靠性方面所起的作用。最后，本綜述指出了當前面臨的挑戰，包括需要提高制造的可重復性和多功能集成，并提出了未來潛在的研究方向，以進一步優化基于介電泳和電滲流的生物微系統，使其適用于先進的生物醫學與診斷應用。
介電泳是由非均勻電場與介電微粒相互作用所引起的。這種相互作用會產生一種力，誘導微粒相對于懸浮介質運動，其方向和大小取決于微粒與周圍流體的介電特性以及電場梯度的分布（見圖1）。當微粒被吸引到高電場強度區域時，這種現象稱為正介電泳（pDEP）；相反，當微粒被排斥出高電場強度區域、并向低電場強度區域移動時，則稱為負介電泳（nDEP）。基于不同微粒的介電特性，通過調控pDEP與nDEP所引發的微粒運動可實現對細胞與納米微粒的精確操控，并應用于多個生物領域，包括微粒與細胞分選、生物標志物富集、成像旋轉、單細胞分析捕獲等。
與介電泳的非均勻電場不同，電滲流是另一種關鍵的電動（electrokinetic）現象，其特征是液體在外加電場作用下相對于帶電靜止表面發生移動。這種流動是由通道壁的電雙層中離子的相互作用引起的，導致被稱為電滲流的大量液體流動。與微通道中的壓力驅動流（PDF）不同，電滲流在整個通道中呈栓塞式（plug-like）且均勻流動，最大程度地減少了分散并增強了微流控系統中的分析物傳輸。其可控性使其適用于微全分析系統（μTAS）中的流體處理和樣品注入。
圖1 介電泳和電滲流原理的示意圖
介電泳和電滲流在微流控系統中的有效性在很大程度上依賴于微電極的設計與制造，微電極產生的電場可用于驅動這些電動現象。制造工藝包括使用光刻、薄膜沉積和蝕刻等技術將微電極精確地圖案化到襯底上。利用這些工藝可以制備出具有各種不同幾何結構和材料的微電極，以優化介電泳所需的電場梯度，或實現電滲流控制所需的均勻電場。
本綜述系統地介紹了最新的微電極制造技術、材料選擇及設計策略，旨在為生物應用中的微尺度系統中介電泳與電滲流性能的優化提供參考。圖2展示了微流控器件中的電極配置和制造方法概述。
圖2 微流控器件中的電極配置和制造方法概述
用于介電泳的微電極
為了實現低成本、高效率的電動微流控器件制造工藝，近年來開發了多種非潔凈室制造方法。這些方法為傳統潔凈室工藝提供了替代方案，使快速原型開發成為可能。這類創新技術無需使用傳統的微電極制造工藝，依然能夠實現對電場的精確操控。
盡管這些非潔凈室方法在成本效益和快速原型開發方面具有明顯優勢，但它們往往存在一些問題，例如微電極的分辨率較低、沉積過程存在變異性以及長期穩定性較差。這些局限性可能會影響器件的重復性與可擴展性，從而對其與更復雜微流控系統的集成帶來挑戰。
圖3 非潔凈室微電極制造工藝示例
與傳統的電極不同，非接觸式導電電極被隔離在不與主微流控通道共用入口或出口的通道內，以防止污染并提高器件可靠性。研究人員總結了非接觸式導電電極及其在微流控器件中的生物應用。
當電場作用于三維（3D）微結構的相對面時，3D微結構可以有效地起到絕緣體的作用。這些絕緣體與外加電場相互作用，在每個3D微結構周圍產生非均勻電場。這種不均勻性會誘發介電泳現象，從而實現對系統內微粒或細胞的精確操控。通過利用微結構的幾何特性，這種方法簡化了整體設計流程，無需傳統電極圖案化所需的復雜制造技術。相反，絕緣體本身就是電場梯度的來源，為細胞分揀、微粒捕獲和生物分析等各種生物微系統應用提供了經濟高效、可擴展的解決方案。
與3D電極部分中討論的基于絕緣體的電場產生方式不同，2D電極可直接產生電場，它們可分為兩種主要類型：側壁電極和自下而上（bottom-up）電極。研究人員重點介紹了2D電極的常見制造工藝，這些工藝通常依賴于金屬沉積、光刻和蝕刻等技術。此外，還深入探討了這些制造工藝的具體細節，并分析其與特定電極設計之間的關系。
電旋轉（Electro-rotation）是通過施加由非對稱電極排列所產生的非均勻電場來實現的。非對稱布置的電極會產生介電泳力，從而在微粒上產生扭矩，誘導其發生受控的旋轉運動。這種旋轉運動可以通過調節電場的頻率、幅值或相位來精確操控。電誘導的旋轉可用于多種目的，例如混合流體、定向各向異性微粒（例如細胞或納米微粒），或增強微粒與電極表面之間的相互作用。電極的設計與制造方法使得對旋轉行為的精細操控成為可能，從而適用于多個與生物相關的應用領域，例如單細胞分析、納米微粒操控以及增強的生化反應等。研究人員重點介紹了電旋轉中的電極制造方面的最新進展及其在生物工程應用中的重要影響。
圖4 不同微電極配置和制造工藝實現的電旋轉示例
用于電滲流的微電極
電滲流是電動微流控系統中的關鍵機制，可實現用于微粒分離、生化分析和診斷等的精確流體操控。電滲流器件的制造工藝通常包括微通道、電極和表面涂層的集成，以優化流動特性和性能。用于流體操控的電場一般通過平面微電極產生，這些電極通常嵌入在微通道下方。這種配置確保了均勻的電場分布和一致的流體流動。電極與通道幾何結構的精準對齊進一步提高了電滲流的可靠性與功能性。研究人員介紹了基于電滲流的微流控器件設計的各種制造方法。
基于電滲流的器件通常采用光刻、PDMS軟光刻以及軟光刻等工藝進行制造。例如，便攜式微流控器件集成了通過軟光刻制造的ITO涂層玻璃電極，用于多功能電場調節，如圖5A所示。另一個案例是利用交流電滲流（ACEO）的新型微混合器，其采用了通過光刻和電子束蒸發技術在硼硅酸鹽玻璃襯底上制備而成的三指式正弦形金電極（圖5B）。除了光刻之外，研究人員還介紹了其余多種替代制造方法來構建電滲流平臺的電極。
圖5 多功能電場調節的便攜式微流控器件和利用交流電滲流的微混合器示意圖
小結
綜上所述，該綜述強調了微電極設計與制造在推進生物應用的介電泳和電滲流微流控器件中的關鍵作用。通過集成先進材料、創新制造技術以及精確的微電極結構配置，這些器件的性能和多功能性得到了顯著提升，使其能夠有效應對醫療診斷、微粒操控及生化分析等方面的挑戰。軟光刻、光刻以及新興的非潔凈室技術等制造方法的最新進展促進了具有成本效益和可擴展的微流控器件的開發。包括快速原型開發、液體非接觸式電極和三維電極結構在內的創新方案實現了對電場的精確操控，不僅提升了器件的功能，還拓展了其應用范圍。諸如氧化銦錫（ITO）、碳復合材料和導電聚合物等材料的應用也進一步增強了微電極與微流控系統的兼容性。
盡管取得了諸多進展，當前仍面臨一些挑戰，包括提升制造效率與重復性、減少焦耳熱效應，以及實現大規模生產的可擴展性等。此外，還需要進一步探索多功能性能的集成，例如混合電動力和增強傳感機制，以充分釋放介電泳和電滲流在下一代微流控器件中的潛力。未來的研究可以通過結合新興的制造技術，例如3D打印和納米光刻，以及將新型材料和配置與微流控系統集成以提高器件性能，來探索解決這些局限性。這些領域的進展有望進一步推進基于介電泳和電滲流的微流控平臺的發展，為生物醫學研究、即時診斷和生化分析領域的創新提供支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/mi16020190
