由微电极结构产生的交流电动力学现象

在过去的几年中，芯片实验室领域已广泛接受了一项名为交流电动力学（AC Electrokinetics）的前沿技术。这类现象能够以快速且多样化的方式在微米至纳米尺度上操控颗粒与流体，现已成为众多生物芯片应用中不可或缺的技术。在本视频中，我们将详细讲解交流电动力学的基本原理，以帮助其他可能在研究中受益于这些现象的科研人员与工程师。

大家好，我叫 Robert Hart，是德雷塞尔大学生物医学工程科学与健康系统系的一名博士研究生。在本视频开始时，我们将简要介绍交流电电动力学背后的物理原理。接下来，我们将介绍器件的制备过程，最后展示一些交流电电动力学的实验视频，并解释其中发生的现象。

我们将要描述的三种力中的第一种被称为介电电泳。在这里，我们看到两个浸入液体中的电极之间产生了一个电场。如果将一个介电粒子放入该电场中，它就会被极化。

如您所见，粒子上的电荷由液体内部的电荷平衡。粒子的极化能力是强于还是弱于液体，可通过在均匀电场中测定经典的MoSo因子来确定。这些粒子会受到已知的nut力作用。

然而，在非均匀电场中（如此处所示），极化率较高的粒子会向电场强度较高的区域移动，因为它们经历了正向介电泳；而改变频率以切换极化性则会产生相反效应，即所谓的负向介电泳，此时粒子会远离电场强度较高的区域。第二种力是交流电渗，其基础是在电势作用下形成双电层。在表面处，该区域分为紧密层（Stern层），由牢固结合在表面上不可移动的离子组成，以及扩散层，其中包含虽被束缚但仍可侧向移动的离子。

如果观察电极边缘附近的某个离子，会发现它受到电场施加的冷却力作用。该力的Y分量被表面电荷的存在所平衡。因此，离子受到一个净侧向力，方向指向电极中心。电极两侧的离子均向中心移动，并聚集到足够数量，从而带动周围流体一同运动。

这两种流动的汇聚导致中心处的液体向上移动，并形成一种旋转的流体模式。切换电势不会影响流体模式的方向，因为反离子也同时发生了切换。第三种也是最后一种现象是交流热液效应。

当电流通过液体时，JUUL加热会引起温度梯度。如模拟所示，水的电学性质发生变化。因此，这些电学性质的扰动与电场相互作用，产生体积力。

尽管产生机制不同，所产生的类似交流电电渗现象本质上仍表现为旋转运动。为完整起见，我们简要提及了交流热液效应，但热液效应的影响较为微弱。在本实验的操作条件下，根据上述三种力的数学原理，我们建立了有限元数值模拟，用以展示作用于通道内每个位置上直径两微米聚苯乙烯颗粒的总合力。该有限元模拟针对电极的二维截面进行，并仅聚焦于其中一个电极的中心区域。

第一次模拟显示了低电导率介质，在低频范围内从100赫兹逐步变化至1兆赫兹。此时，交流电渗占主导地位，可通过旋转力场模式观察到。随着频率升高，正介电泳逐渐取代主导作用，表现为指向每个电极角落的吸引力。

当频率超过某一阈值后，正向介电泳力对负向介电泳力产生影响，颗粒将被排斥至某一特定高度，在该位置重力与介电泳力达到平衡。接下来，我们将在高电导率条件下重复相同的频率实验。在高电导率条件下，交流电致伸缩力通常弱于低电导率条件下的力，且峰值速度出现在更高的频率处。

此外，请注意由于电导率过高，不会产生正向介电泳。在较高电导率和较高电压下，交流电渗效应会直接转变为负向介电泳，此时电致皮肤效应将表现得更为明显。

在本节中，我们将讨论器件的制备与组装。这些器件本身由沉积在基底上的金电极构成，此处的基底为玻璃。

我们将展示一种实现此目的的湿法刻蚀方法，但众所周知的剥离工艺也常被使用，稍后将予以展示。我们所采用的四种设计分别为平行叉指型、平行锯齿型、势阱型和四重型。该工艺的简要描述如下。

首先，在玻璃基底上沉积一层铬和金。接着，将基底涂覆光刻胶，并通过紫外光接触曝光，将电极图案从掩模转移到基底上。

显影后，铬和金被蚀刻掉，光刻胶也被剥离。为了确保良好的附着力，玻璃载片必须非常洁净。通常使用加热的piranha溶液（由硫酸和过氧化氢组成）来完成此步骤。

使用这种危险组合时必须格外小心。清洗后，基底经过干燥，即可进行金属沉积。此步骤在电子束蒸发仪中完成。

将玻璃载玻片用特制胶带固定在样品台的盖帽上，该胶带特别适用于耐受镀膜条件。随后，将样品装入仪器并抽真空。该过程包括两分钟的铬镀膜和三十分钟的金镀膜，分别形成约20纳米和200纳米的厚度。

当移除样品后，可明显观察到金表面。光刻工艺首先使用旋涂机在基底上涂覆一层光刻胶。将光刻胶用移液器滴加到位于旋涂机卡盘上的基底表面。

通过以特定速度旋转玻璃，形成一层均匀的光刻胶，从而去除大部分多余的光刻胶。随后进行两分钟、100°C的前烘处理，以固化光刻胶并为紫外曝光做好准备。接下来，将光掩模与基底紧密接触，并暴露于紫外光下约八秒钟。

这一步将图案转移到光刻胶上。显影步骤会去除所有暴露在光下的光刻胶区域。该过程完成了光刻阶段，接下来我们即可进行金和铬的刻蚀。

在显影过程中，基底上已暴露的区域现在可以进行刻蚀。光刻胶有效地保护了表面的其余部分，但与所有步骤一样，刻蚀时间应严格控制。此处我们看到基底被放入避光的碘基金刻蚀液中。

用水冲洗后，通过铬刻蚀去除铬层。注意观察玻璃重新变为透明时发生的变化。铬层去除后，对刻蚀与未刻蚀基底进行比较，以显示结果。

在显微镜下快速检查可观察到该过程的成功结果。此处我们看到一个已成功制备的器件，并已完成电学连接。其旁边是一个带有管路连接的PD DS通道。

当将PDMS通道放置到装置上时，会与玻璃形成非常有效的密封，液体可流经通道。此操作需使用镊子小心进行。由于指纹和灰尘可能影响良好粘附，可使用镊子的另一侧以确保良好贴合。填充。

通过将注射器连接到一侧，并将另一端置于聚苯乙烯微球悬浮液中，施加轻柔的负压即可完成通道的制备。将其放置于显微镜下并完成聚焦后，将电极连接至信号发生器。样品加载完毕且连接完成后，装置即已准备就绪，可进行实验。

我们将展示的所有实验视频均包含向通道中注入含有两微米聚苯乙烯微球的水悬浮液，并对电极施加信号。最初，微球呈随机分布并表现出布朗运动。当施加一千伏特的信号时，微球迅速在电极中心排列成行。

需要注意的是，由于我们使用的是交流电场，因此观察到的并非KIC力。这种有趣的现象是由于流体模式的产生以及介电泳的吸引力共同作用所致。随着频率的增加，颗粒开始沿电极的宽度方向扩散开来。

当交流电电渗速度在56千赫兹时下降，而介电泳开始占主导作用，颗粒迁移至电极边缘。随着交流电电渗力逐渐消失，正向介电泳占主导地位。如本图所示，这种行为在100千赫兹时持续，颗粒现在已牢固地固定在电极边缘。

当频率进一步增加至250千赫兹时，颗粒开始在间隙间排列成链状，即所谓的“珍珠链”行为；而在500千赫兹时，由于负介电泳占主导地位，颗粒被排斥离开电极边缘。这一现象可通过克劳修斯-莫索提（K Clausius-Mossotti）因子来解释：随着频率升高，该因子由正值变为负值，导致在1兆赫兹时从正介电泳向负介电泳发生转变。此时负介电泳接近其最大值，颗粒在电极上方被悬浮起来。

电导率的增加会导致介电泳因子（CM因子）发生显著变化。如您所见，此时已不再出现正向介电泳现象，这极大地改变了颗粒的行为。当我们施加1 kHz信号并在相同频率范围内进行扫描时，请记住这一点：颗粒会沿着电极边缘发生平面外的轨道运动。

显微镜提供的俯视图仅显示粒子的横向运动，如本动画所示。该视图中粒子呈现来回移动，但从侧面观察时，这种视图掩盖了粒子的真实运动。从侧面观察，粒子运动的真实特性可以更清晰地显现。

事实上，它们之所以围绕轨道运动而不会被困在每个电极的中心，据信是因为介电泳（DEP）分量发生了反转。随着频率持续升高，颗粒开始聚集形成团块，同时保持相同的轨道运动模式。这种聚集现象源于颗粒之间的相互作用。

这种相互作用的起源被认为是由于粒子自身引起的微弱电场畸变所致。粒子周围的畸变产生介电泳力，从而吸引附近的粒子。随着频率继续升高，在约250千赫兹时发生显著变化。

颗粒基本停止轨道运动，并形成粒子间相互作用的另一种表现形式。最终，随着频率进一步升高，此时由于负介电泳产生的排斥作用，颗粒被向上推离显微镜的焦平面。

接下来，我们将展示一种在低电导率下工作的叉指电极结构。该电极设计与前一种类型相似，均为叉指状结构，但其直线状指形已被更复杂的形状所取代。在1 kHz条件下，颗粒在交叉区域的中心聚集，并迅速形成菱形结构。

随着频率升高，我们观察到所收集的颗粒出现类似的扩散现象。当交流电渗效应逐渐减弱而介电电泳开始主导时，与之前类似，56 千赫兹会使颗粒缓慢迁移至电极边缘。有趣的是，几乎所有颗粒都向一侧移动，这可能与某些静水压力有关。

它们的移动速度要快得多。在100千赫时，CEO几乎完全消失。在250千赫时，粒子开始形成链状结构。

切换到500千赫兹时产生的负向介电泳力将粒子推离电极边缘。进一步将频率提高至1兆赫兹，粒子会因受到更强的负向介电泳排斥力而向上移动，脱离焦平面。接下来，我们将展示一种在高电导率条件下工作的锯齿状电极类型。

使用此类电极产生的旋转模式在内侧电极角落处最为显著，颗粒最终会迁移至这些位置。由于在此电导率下不存在正向介电泳，因此此前观察到的菱形切割行为在此处不会出现。随着频率的增加，流体流速逐渐降低。

当交流电电渗力在56千赫兹时消失，颗粒运动变得非常缓慢，而在100千赫兹时，某些区域的颗粒开始聚集并形成珍珠链结构。珍珠链结构十分明显。随着频率逐渐升高，颗粒聚集体进一步融合，在每个角落处形成X形结构。

最后，在1 MHz频率下，前体链受到负向介电泳力的作用，颗粒被排斥离开表面。此处展示的四极设计在电极图案中心形成一个低电场强度区域，旨在利用负向介电泳效应实现颗粒聚焦。当我们在电极上施加10伏电压时，可观察到显著的颗粒聚焦现象。

我们将加快时间进程，以便观察粒子在平衡状态下的形态。当电压降低至1伏时，可观察到聚焦区域开始扩散。随着介电泳力相对于布朗运动逐渐减弱，再次提高电压会使粒子重新向中心区域移动。

与四极模式类似，势阱通过产生低电场区域来捕获粒子。电极采用叉指结构，因此之前已观察到的其他效应在此也能被观察到。当施加信号时，由于介电泳（CEO）和介电电泳（DEP）的作用，可迅速观察到粒子的捕获现象。

然而，更有趣的现象出现在中空的方格区域。一段时间后，由于负介电泳作用，此处的颗粒被聚集起来。我们还可以看到在势阱两侧呈三角形区域的位置也出现了一些颗粒聚集。

我们刚刚展示了交流电动力学背后的一些丰富而有趣的物理原理，以及如何制备这些器件，并基于数值模拟和基本物理机制来解读实验结果。这些涉及粒子运动的现象，若无可视化辅助手段，通常很难理解。交流电动力学现象可广泛应用于多个研究领域。

例如，用于生物传感器应用的颗粒收集、基于颗粒大小和形状等不同特性进行分离以实现样品处理，以及通过主动混合提升检测性能。我们希望本视频能够帮助科学家和工程师更好地使用和制备交流电动力学器件，这一领域是芯片实验室领域中最为重要且不断发展的方向之一。好了，就到这里。

感谢观看，祝您的实验顺利。