微流控技術(shù)的介紹及電阻抗譜測量以推斷細(xì)胞的大小和速度
微流控技術(shù)（Microfluidics）作為一種在微觀尺寸下操控微量體積流體的技術(shù)，是一門新興的交叉學(xué)科，涉及微機械、流體、物理、材料、生物、化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域 。因為具有微型化、集成化等特征，微流控裝置通常被稱為微流控芯片，也被稱為芯片實驗室（Lab on a Chip）和微全分析系統(tǒng)（micro-Total Analytical System（μTAS））。目前，微流控被認(rèn)為在生物醫(yī)學(xué)研究中具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V泛的應(yīng)用前景。
生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展對細(xì)胞和亞細(xì)胞成分（細(xì)胞核，RNA，DNA）的電阻抗譜測量提出了更高的要求。與過去的幾 MHz 的頻率范圍相比，現(xiàn)在的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴展到了更高的頻段，并且同時需要具備更高的測量靈敏度。此外，在幾個頻率上同時進行測量的能力也很重要，因為這意味著可以在微流控中實時獲取細(xì)胞的阻抗曲線。
目前有三種常見的方法來觀察微流控通道中細(xì)胞的大小和速度。
第一種是基于光學(xué)方法的細(xì)胞計數(shù)。它需要使用激光照射微流控通道中已經(jīng)標(biāo)記好的細(xì)胞，并檢測產(chǎn)生的散射或熒光。除了使用的染料可能有毒或昂貴之外，維護和設(shè)置激光及檢測系統(tǒng)同樣會限制該技術(shù)的便攜性和耐用性。
第二種是基于圖像的細(xì)胞計數(shù)。它依賴于高速相機的使用。在使用其它設(shè)備將細(xì)胞分類到不同通道之前，您需要通過進行圖像處理來判斷細(xì)胞的大小。普通攝像機的幀速會限制其檢測速度，每記錄一幀可能需要 200 微秒的時間。
第三種選擇是阻抗細(xì)胞計數(shù)法。它具有快速的響應(yīng)時間，無需標(biāo)記且可集成分類操作。該技術(shù)基于監(jiān)控細(xì)胞通過微流控通道中兩個電極對時產(chǎn)生的介電特性的變化。其中一種方法使用鎖相放大器，例如 OE2042，和匹配的電流放大器（Current Amplifier，CA） 來測量微流控通道中兩個電極對之間電流的變化，具體連線如圖1所示。由于實驗中使用了差分電流測量的方法來測量電流的變化，來自流體的背景信號會在很大程度上被抑制。這使得測量到的電流信號更清晰，方便您從中推斷出細(xì)胞的大小和速度。
詳細(xì)微流控實驗裝置如圖1所示，細(xì)胞懸浮液經(jīng)過注射泵（Syringe pump，neMESYS，ce[1]toni GmbH，Korbussen，Germany）通過聚四氟乙烯管道（PTFE tube）進入微流控芯片（Microfluidic device）。懸浮液流速保持在 0.5 µL/min。由壓力控制器（Pressure controller，OB1 MK3+，Elveflow，Paris，F(xiàn)rance）提供壓強使得捕獲孔位內(nèi)外兩側(cè)壓強不同從而進行細(xì)胞或測試微粒的捕獲。而后由數(shù)字鎖相放大器（DLIA）提供 1Vpp 的激勵信號對捕獲的細(xì)胞或測試微粒進行激勵而后測量微流控芯片中反饋的電流信號。經(jīng)由電流放大器（Current Amplifier，CA）轉(zhuǎn)換為電壓信號方便數(shù)字鎖相放大器測量。然后在計算機（PC）端收集數(shù)據(jù)并計算細(xì)胞的阻抗信息。
生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展對細(xì)胞和亞細(xì)胞成分（細(xì)胞核，RNA，DNA）的電阻抗譜測量提出了更高的要求。與過去的幾 MHz 的頻率范圍相比，現(xiàn)在的應(yīng)用范圍已經(jīng)擴展到了更高的頻段，并且同時需要具備更高的測量靈敏度。此外，在幾個頻率上同時進行測量的能力也很重要，因為這意味著可以在微流控中實時獲取細(xì)胞的阻抗曲線。
目前有三種常見的方法來觀察微流控通道中細(xì)胞的大小和速度。
第一種是基于光學(xué)方法的細(xì)胞計數(shù)。它需要使用激光照射微流控通道中已經(jīng)標(biāo)記好的細(xì)胞，并檢測產(chǎn)生的散射或熒光。除了使用的染料可能有毒或昂貴之外，維護和設(shè)置激光及檢測系統(tǒng)同樣會限制該技術(shù)的便攜性和耐用性。
第二種是基于圖像的細(xì)胞計數(shù)。它依賴于高速相機的使用。在使用其它設(shè)備將細(xì)胞分類到不同通道之前，您需要通過進行圖像處理來判斷細(xì)胞的大小。普通攝像機的幀速會限制其檢測速度，每記錄一幀可能需要 200 微秒的時間。
第三種選擇是阻抗細(xì)胞計數(shù)法。它具有快速的響應(yīng)時間，無需標(biāo)記且可集成分類操作。該技術(shù)基于監(jiān)控細(xì)胞通過微流控通道中兩個電極對時產(chǎn)生的介電特性的變化。其中一種方法使用鎖相放大器，例如 OE2042，和匹配的電流放大器（Current Amplifier，CA） 來測量微流控通道中兩個電極對之間電流的變化，具體連線如圖1所示。由于實驗中使用了差分電流測量的方法來測量電流的變化，來自流體的背景信號會在很大程度上被抑制。這使得測量到的電流信號更清晰，方便您從中推斷出細(xì)胞的大小和速度。
詳細(xì)微流控實驗裝置如圖1所示，細(xì)胞懸浮液經(jīng)過注射泵（Syringe pump，neMESYS，ce[1]toni GmbH，Korbussen，Germany）通過聚四氟乙烯管道（PTFE tube）進入微流控芯片（Microfluidic device）。懸浮液流速保持在 0.5 µL/min。由壓力控制器（Pressure controller，OB1 MK3+，Elveflow，Paris，F(xiàn)rance）提供壓強使得捕獲孔位內(nèi)外兩側(cè)壓強不同從而進行細(xì)胞或測試微粒的捕獲。而后由數(shù)字鎖相放大器（DLIA）提供 1Vpp 的激勵信號對捕獲的細(xì)胞或測試微粒進行激勵而后測量微流控芯片中反饋的電流信號。經(jīng)由電流放大器（Current Amplifier，CA）轉(zhuǎn)換為電壓信號方便數(shù)字鎖相放大器測量。然后在計算機（PC）端收集數(shù)據(jù)并計算細(xì)胞的阻抗信息。
Figure1. 微流控阻抗測試的整體架構(gòu)圖 (b).微流體裝置的顯微照片（比例尺為100 μm）
Figure2. 細(xì)胞微流控阻抗測量結(jié)果（標(biāo)尺為 5 µm）
在幅頻響應(yīng)曲線（圖2-b）中，沒有捕獲到粒子以及捕獲到不同粒子的 幅頻響應(yīng)曲線在低頻域與高頻域都混合在一起難以分辨，而單靠幅頻響應(yīng)曲線難以確定最佳的頻率點來區(qū)分粒子，故對測量得到的幅頻響應(yīng)曲線做歸一化處理，即如下式所示進行計算。
Ar = A * Ae
其中 A 為不同粒子捕獲后測量的幅值，Ae 為沒有捕獲到粒子是測量得到的幅值。經(jīng)過歸一化處理后可以看到，在頻率為 2.5 MHz 時測量所得幅值最容易區(qū)分不同粒子。 故將輸入激勵信號的頻率固定為 2.5 MHz 后重新對不同粒子進行多次測量，得到的結(jié) 果如圖2-28d 所示。可以看到，針對不同粒子進行多組測量后得到的 6 µm 粒子平均幅 值為 0.9651，標(biāo)準(zhǔn)差（SD）為 0.0030，波動系數(shù)（CV）為 0.3141%，8 µm 粒子平均幅值 為 0.9514，標(biāo)準(zhǔn)差為 0.0028，波動系數(shù)為 0.2703%，10 µm 粒子平均幅值為 0.9384，標(biāo) 準(zhǔn)差為 0.0032，波動系數(shù)為 0.3387%。極小的標(biāo)準(zhǔn)差和波動系數(shù)表明本次測量的靈敏度 與穩(wěn)定性都非常高，而差異明顯的幅值平均值也是區(qū)分粒子的有力證據(jù)。
標(biāo)簽：
微流控電阻抗譜測量
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