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

基于電阻抗的細(xì)胞分析是一種無標(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)胞生長及活力檢測等。微流控技術(shù)能夠?qū)⑸婕皹悠分苽洹⒉僮骱突谧杩箼z測的分析過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，搭建了一種簡便的微流控電阻抗檢測系統(tǒng)，可根據(jù)電學(xué)差異對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，未來可進(jìn)一步用于現(xiàn)場細(xì)胞即時(shí)檢測。

微流控芯片的設(shè)計(jì)與制作

采用的微流控阻抗檢測芯片主要分為三層：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，電極層用來感測阻抗變化，引線層用于連接信號(hào)的輸入與輸出。此外，檢測電極采用剝離工藝，在玻璃上形成金電極（Au/Cr，厚度200nm/50nm），檢測電極寬度為30μm，間隔為15μm，檢測口流道寬度為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氧等離子對準(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芯片的制作，如圖1（b）。

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

阻抗測試平臺(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，原理如圖２，鎖相放大器首先將輸入信號(hào)經(jīng)過運(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。

圖2 鎖相放大電路原理

目前用于微流控阻抗檢測的鎖相放大器主要有蘇黎世系列和美國斯坦福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，故通過電不透明度無法區(qū)分。

圖4 不同粒徑聚苯乙烯微球檢測：（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：（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，該研究通過自行搭建的微流控阻抗流式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對不同粒徑的聚苯乙烯微球和細(xì)胞的無標(biāo)記檢測。鎖相放大電路可以實(shí)現(xiàn)微粒信號(hào)的放大并通過算法提取。通過聚苯乙烯微球和細(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

來源：MEMS