微流控技術(shù)作為一個(gè)多學(xué)科交叉領(lǐng)域，融合了流體力學(xué)、電子學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)學(xué)科，使得對(duì)微小體積液體和微粒的精確操控成為可能，已被廣泛應(yīng)用于各類生物領(lǐng)域。在集成到微流控系統(tǒng)的多種能源形式中，電場(chǎng)在實(shí)現(xiàn)微尺度精確操控方面尤其具有優(yōu)勢(shì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國(guó)斯坦福大學(xué)、伊利諾伊大學(xué)芝加哥分校和孟菲斯大學(xué)的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Micromachines期刊上發(fā)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(diǎn)介紹了用于介電泳（DEP）和電滲流（EOF）的微電極的設(shè)計(jì)與制造，這些都是在微流控器件中實(shí)現(xiàn)微粒與微流體操控的關(guān)鍵技術(shù)。介電泳依賴非均勻電場(chǎng)，根據(jù)微粒的介電特性進(jìn)行操控；而電滲流則利用均勻電場(chǎng)在微通道中產(chǎn)生穩(wěn)定的流體流動(dòng)。

研究人員探討了微電極制造方面的進(jìn)展，包括光刻、軟光刻和新興的非潔凈室技術(shù)。此外，他們還探討了快速原型開發(fā)、非接觸式電極和三維結(jié)構(gòu)等創(chuàng)新方法，以及導(dǎo)電聚合物、碳基復(fù)合材料等材料選擇的相關(guān)問題。文中還分析了微電極在提升器件功能性、可擴(kuò)展性和可靠性方面所起的作用。最后，本綜述指出了當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)，包括需要提高制造的可重復(fù)性和多功能集成，并提出了未來潛在的研究方向，以進(jìn)一步優(yōu)化基于介電泳和電滲流的生物微系統(tǒng)，使其適用于先進(jìn)的生物醫(yī)學(xué)與診斷應(yīng)用。

介電泳是由非均勻電場(chǎng)與介電微粒相互作用所引起的。這種相互作用會(huì)產(chǎn)生一種力，誘導(dǎo)微粒相對(duì)于懸浮介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，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(chǎng)梯度的分布（見圖1）。當(dāng)微粒被吸引到高電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域時(shí)，這種現(xiàn)象稱為正介電泳（pDEP）；相反，當(dāng)微粒被排斥出高電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域、并向低電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)域移動(dòng)時(shí)，則稱為負(fù)介電泳（nDEP）?；诓煌⒘５慕殡娞匦?，通過調(diào)控pDEP與nDEP所引發(fā)的微粒運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞與納米微粒的精確操控，并應(yīng)用于多個(gè)生物領(lǐng)域，包括微粒與細(xì)胞分選、生物標(biāo)志物富集、成像旋轉(zhuǎn)、單細(xì)胞分析捕獲等。

與介電泳的非均勻電場(chǎng)不同，電滲流是另一種關(guān)鍵的電動(dòng)（electrokinetic）現(xiàn)象，其特征是液體在外加電場(chǎng)作用下相對(duì)于帶電靜止表面發(fā)生移動(dòng)。這種流動(dòng)是由通道壁的電雙層中離子的相互作用引起的，導(dǎo)致被稱為電滲流的大量液體流動(dòng)。與微通道中的壓力驅(qū)動(dòng)流（PDF）不同，電滲流在整個(gè)通道中呈栓塞式（plug-like）且均勻流動(dòng)，最大程度地減少了分散并增強(qiáng)了微流控系統(tǒng)中的分析物傳輸。其可控性使其適用于微全分析系統(tǒng)（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(tǒng)中的有效性在很大程度上依賴于微電極的設(shè)計(jì)與制造，微電極產(chǎn)生的電場(chǎng)可用于驅(qū)動(dòng)這些電動(dòng)現(xiàn)象。制造工藝包括使用光刻、薄膜沉積和蝕刻等技術(shù)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(jié)構(gòu)和材料的微電極，以優(yōu)化介電泳所需的電場(chǎng)梯度，或?qū)崿F(xiàn)電滲流控制所需的均勻電場(chǎng)。

本綜述系統(tǒng)地介紹了最新的微電極制造技術(shù)、材料選擇及設(shè)計(jì)策略，旨在為生物應(yīng)用中的微尺度系統(tǒng)中介電泳與電滲流性能的優(yōu)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(shí)現(xiàn)低成本、高效率的電動(dòng)微流控器件制造工藝，近年來開發(fā)了多種非潔凈室制造方法。這些方法為傳統(tǒng)潔凈室工藝提供了替代方案，使快速原型開發(fā)成為可能。這類創(chuàng)新技術(shù)無需使用傳統(tǒng)的微電極制造工藝，依然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電場(chǎng)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(fā)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)期穩(wěn)定性較差。這些局限性可能會(huì)影響器件的重復(fù)性與可擴(kuò)展性，從而對(duì)其與更復(fù)雜微流控系統(tǒng)的集成帶來挑戰(zhàn)。

圖3非潔凈室微電極制造工藝示例

與傳統(tǒng)的電極不同，非接觸式導(dǎo)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(nèi)，以防止污染并提高器件可靠性。研究人員總結(jié)了非接觸式導(dǎo)電電極及其在微流控器件中的生物應(yīng)用。

當(dāng)電場(chǎng)作用于三維（3D）微結(jié)構(gòu)的相對(duì)面時(shí)，3D微結(jié)構(gòu)可以有效地起到絕緣體的作用。這些絕緣體與外加電場(chǎng)相互作用，在每個(gè)3D微結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生非均勻電場(chǎng)。這種不均勻性會(huì)誘發(fā)介電泳現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)微?；蚣?xì)胞的精確操控。通過利用微結(jié)構(gòu)的幾何特性，這種方法簡(jiǎn)化了整體設(shè)計(jì)流程，無需傳統(tǒng)電極圖案化所需的復(fù)雜制造技術(shù)。相反，絕緣體本身就是電場(chǎng)梯度的來源，為細(xì)胞分揀、微粒捕獲和生物分析等各種生物微系統(tǒng)應(yīng)用提供了經(jīng)濟(jì)高效、可擴(kuò)展的解決方案。

與3D電極部分中討論的基于絕緣體的電場(chǎng)產(chǎn)生方式不同，2D電極可直接產(chǎn)生電場(chǎng)，它們可分為兩種主要類型：側(cè)壁電極和自下而上（bottom-up）電極。研究人員重點(diǎn)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(shù)。此外，還深入探討了這些制造工藝的具體細(xì)節(jié)，并分析其與特定電極設(shè)計(jì)之間的關(guān)系。

電旋轉(zhuǎn)（Electro-rotation）是通過施加由非對(duì)稱電極排列所產(chǎn)生的非均勻電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)的。非對(duì)稱布置的電極會(huì)產(chǎn)生介電泳力，從而在微粒上產(chǎn)生扭矩，誘導(dǎo)其發(fā)生受控的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以通過調(diào)節(jié)電場(chǎng)的頻率、幅值或相位來精確操控。電誘導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)可用于多種目的，例如混合流體、定向各向異性微粒（例如細(xì)胞或納米微粒），或增強(qiáng)微粒與電極表面之間的相互作用。電極的設(shè)計(jì)與制造方法使得對(duì)旋轉(zhuǎn)行為的精細(xì)操控成為可能，從而適用于多個(gè)與生物相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域，例如單細(xì)胞分析、納米微粒操控以及增強(qiáng)的生化反應(yīng)等。研究人員重點(diǎn)介紹了電旋轉(zhuǎn)中的電極制造方面的最新進(jìn)展及其在生物工程應(yīng)用中的重要影響。

圖4不同微電極配置和制造工藝實(shí)現(xiàn)的電旋轉(zhuǎn)示例

用于電滲流的微電極

電滲流是電動(dòng)微流控系統(tǒng)中的關(guān)鍵機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)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(yōu)化流動(dòng)特性和性能。用于流體操控的電場(chǎng)一般通過平面微電極產(chǎn)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(chǎng)分布和一致的流體流動(dòng)。電極與通道幾何結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)對(duì)齊進(jìn)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(shè)計(jì)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(jìn)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(chǎng)調(diào)節(jié)，如圖5A所示。另一個(gè)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(fā)技術(shù)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(gòu)建電滲流平臺(tái)的電極。

圖5多功能電場(chǎng)調(diào)節(jié)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(jié)

綜上所述，該綜述強(qiáng)調(diào)了微電極設(shè)計(jì)與制造在推進(jìn)生物應(yīng)用的介電泳和電滲流微流控器件中的關(guān)鍵作用。通過集成先進(jìn)材料、創(chuàng)新制造技術(shù)以及精確的微電極結(jié)構(gòu)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(yīng)對(duì)醫(yī)療診斷、微粒操控及生化分析等方面的挑戰(zhàn)。軟光刻、光刻以及新興的非潔凈室技術(shù)等制造方法的最新進(jìn)展促進(jìn)了具有成本效益和可擴(kuò)展的微流控器件的開發(fā)。包括快速原型開發(fā)、液體非接觸式電極和三維電極結(jié)構(gòu)在內(nèi)的創(chuàng)新方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)電場(chǎng)的精確操控，不僅提升了器件的功能，還拓展了其應(yīng)用范圍。諸如氧化銦錫（ITO）、碳復(fù)合材料和導(dǎo)電聚合物等材料的應(yīng)用也進(jìn)一步增強(qiáng)了微電極與微流控系統(tǒng)的兼容性。

盡管取得了諸多進(jìn)展，當(dāng)前仍面臨一些挑戰(zhàn)，包括提升制造效率與重復(fù)性、減少焦耳熱效應(yīng)，以及實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的可擴(kuò)展性等。此外，還需要進(jìn)一步探索多功能性能的集成，例如混合電動(dòng)力和增強(qiáng)傳感機(jī)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(jié)合新興的制造技術(shù)，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(tǒng)集成以提高器件性能，來探索解決這些局限性。這些領(lǐng)域的進(jìn)展有望進(jìn)一步推進(jìn)基于介電泳和電滲流的微流控平臺(tái)的發(fā)展，為生物醫(yī)學(xué)研究、即時(shí)診斷和生化分析領(lǐng)域的創(chuàng)新提供支持。