微流控電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)，用于細(xì)胞無(wú)標(biāo)記即時(shí)檢測(cè)

基于電阻抗的細(xì)胞分析是一種無(wú)標(biāo)記、非侵入性技術(shù)，已廣泛用于分析和識(shí)別各種應(yīng)用中的細(xì)胞特征，如組織培養(yǎng)、細(xì)胞生長(zhǎng)及活力檢測(cè)等。微流控技術(shù)能夠?qū)⑸婕皹悠分苽?、操作和基于阻抗檢測(cè)的分析過(guò)程集成到單片芯片上，最大限度地減少系統(tǒng)尺寸、重量。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的研究人員于《功能材料與器件學(xué)報(bào)》發(fā)表論文，搭建了一種簡(jiǎn)便的微流控電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)，可根據(jù)電學(xué)差異對(duì)體積相近的不同微粒進(jìn)行區(qū)分，具有成本低、易集成、非標(biāo)記等優(yōu)勢(shì)，未來(lái)可進(jìn)一步用于現(xiàn)場(chǎng)細(xì)胞即時(shí)檢測(cè)。

微流控芯片的設(shè)計(jì)與制作

采用的微流控阻抗檢測(cè)芯片主要分為三層：微通道層、電極層和引線層（圖1（a））。微通道層主要提供細(xì)胞流動(dòng)通道，電極層用來(lái)感測(cè)阻抗變化，引線層用于連接信號(hào)的輸入與輸出。此外，檢測(cè)電極采用剝離工藝，在玻璃上形成金電極（Au/Cr，厚度200nm/50nm），檢測(cè)電極寬度為30μm，間隔為15μm，檢測(cè)口流道寬度為30μm，高度為30μm。微通道模具為SU-8結(jié)構(gòu)，由勻膠、前烘、曝光、顯影、硬烘等步驟制成。將PDMS預(yù)聚物與固化劑（10:1）混合后澆筑在模具上，80℃烘箱烘烤90min后脫模，然后將微通道層和電極層通過(guò)氧等離子對(duì)準(zhǔn)鍵合（圖1（c）），最后焊接電極和PCB引線層，完成微流控阻抗檢測(cè)芯片的制作，如圖1（b）。

圖1 細(xì)胞阻抗檢測(cè)芯片設(shè)計(jì)：（a）芯片結(jié)構(gòu)；（b）最終制作出的檢測(cè)芯片；（c）微通道層和電極層的鍵合

阻抗測(cè)試平臺(tái)的搭建

鎖相放大器能夠?qū)⑽⑷醯淖杩姑}沖信號(hào)從噪聲中提取出來(lái)，原理如圖２，鎖相放大器首先將輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器OPA657實(shí)現(xiàn)跨阻放大后，采用高速乘法器AD835與參考信號(hào)混頻，然后通過(guò)低通濾波器進(jìn)行濾波，將期望頻率的信號(hào)從其他頻率信號(hào)中分離出來(lái)。

圖2 鎖相放大電路原理

目前用于微流控阻抗檢測(cè)的鎖相放大器主要有蘇黎世系列和美國(guó)斯坦福SR系列，但是商用儀器體積較大，不易集成。本實(shí)驗(yàn)采用運(yùn)算放大器和乘法器自行設(shè)計(jì)出模擬鎖相放大器，并基于此搭建流式阻抗檢測(cè)系統(tǒng)，如圖３所示。芯片放置在顯微鏡上觀察，由注射泵進(jìn)樣，信號(hào)源施加激勵(lì)信號(hào)，鎖相電路放大感應(yīng)信號(hào)，然后數(shù)據(jù)通過(guò)采集卡傳輸?shù)诫娔X進(jìn)行顯示、儲(chǔ)存和分析。

圖３ 流式阻抗檢測(cè)系統(tǒng)

不同粒徑微球的區(qū)分

采用直徑分別為5μm和10μm的聚苯乙烯微球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別取728和797個(gè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到電不透明度-低頻幅值散點(diǎn)圖及電不透明度和低頻幅值直方圖（圖4（a））、幅值的均值及標(biāo)準(zhǔn)差（圖4（b））。兩種粒子低頻幅值差異明顯、重疊較少，可進(jìn)行有效區(qū)分，驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有根據(jù)電學(xué)特征區(qū)分粒子體積的功能。電不透明度反映樣品內(nèi)容物的信息，兩者均為同等材質(zhì)的微球，故通過(guò)電不透明度無(wú)法區(qū)分。

圖4 不同粒徑聚苯乙烯微球檢測(cè)：（ａ）電不透明度－低頻幅值散點(diǎn)圖及電不透明度和低頻幅值直方圖；（ｂ）幅值的均值及標(biāo)準(zhǔn)差

相似粒徑微球和細(xì)胞的區(qū)分

為驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)相似粒徑不同粒子的區(qū)分能力，采用HEPG2肝癌細(xì)胞和10μm的聚苯乙烯微球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。HEPG2肝癌細(xì)胞的尺寸約12μm。分別取755和797個(gè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得電不透明度-低頻幅值散點(diǎn)圖及電不透明度和低頻幅值直方圖（圖5（a））。結(jié)果顯示，在粒徑上區(qū)分不開的兩種微粒，可以通過(guò)電不透明度區(qū)分，電不透明度反映了顆粒內(nèi)容物的信息，細(xì)胞與微球內(nèi)容物的確不一樣，兩者電學(xué)差異較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際相符。

圖5 相似粒徑聚苯乙烯微球和細(xì)胞檢測(cè)：（a）電不透明度－低頻幅值散點(diǎn)圖及電不透明度和低頻幅值直方圖；（b）幅值的均值及標(biāo)準(zhǔn)差

綜上所述，該研究通過(guò)自行搭建的微流控阻抗流式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同粒徑的聚苯乙烯微球和細(xì)胞的無(wú)標(biāo)記檢測(cè)。鎖相放大電路可以實(shí)現(xiàn)微粒信號(hào)的放大并通過(guò)算法提取。通過(guò)聚苯乙烯微球和細(xì)胞驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。5μm微球低頻幅值與10μm微球差異明顯，HEPG2肝癌細(xì)胞電不透明度與10μm微球比較具有一定差異，表明該系統(tǒng)具有根據(jù)電學(xué)特征區(qū)分粒子體積和內(nèi)容物的功能，為微流控阻抗流式研究開辟了一個(gè)有應(yīng)用前景的平臺(tái)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.20027/j.gncq.2022.0052

來(lái)源：MEMS