【導讀】基于電阻抗的細胞分析是一種無標記、非侵入性技術，已廣泛用于分析和識別各種應用中的細胞特征，如組織培養、細胞生長及活力檢測等。微流控技術能夠將涉及樣品制備、操作和基于阻抗檢測的分析過程集成到單片芯片上，最大限度地減少系統尺寸、重量。
據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海微系統與信息技術研究所的研究人員于《功能材料與器件學報》發表論文，搭建了一種簡便的微流控電阻抗檢測系統，可根據電學差異對體積相近的不同微粒進行區分，具有成本低、易集成、非標記等優勢，未來可進一步用于現場細胞即時檢測。
微流控芯片的設計與制作
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胞流動通道，電極層用來感測阻抗變化，引線層用于連接信號的輸入與輸出。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結構，由勻膠、前烘、曝光、顯影、硬烘等步驟制成。將PDMS預聚物與固化劑（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 細胞阻抗檢測芯片設計：（a）芯片結構；（b）最終制作出的檢測芯片；（c）微通道層和電極層的鍵合
阻抗測試平臺的搭建
鎖相放大器能夠將微弱的阻抗脈沖信號從噪聲中提取出來，原理如圖２，鎖相放大器首先將輸入信號經過運算放大器OPA657實現跨阻放大后，采用高速乘法器AD835與參考信號混頻，然后通過低通濾波器進行濾波，將期望頻率的信號從其他頻率信號中分離出來。
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。本實驗采用運算放大器和乘法器自行設計出模擬鎖相放大器，并基于此搭建流式阻抗檢測系統，如圖３所示。芯片放置在顯微鏡上觀察，由注射泵進樣，信號源施加激勵信號，鎖相電路放大感應信號，然后數據通過采集卡傳輸到電腦進行顯示、儲存和分析。
圖３ 流式阻抗檢測系統
不同粒徑微球的區分
采用直徑分別為5μm和10μm的聚苯乙烯微球進行實驗，分別取728和797個點進行統計，得到電不透明度-低頻幅值散點圖及電不透明度和低頻幅值直方圖（圖4（a））、幅值的均值及標準差（圖4（b））。兩種粒子低頻幅值差異明顯、重疊較少，可進行有效區分，驗證了該系統具有根據電學特征區分粒子體積的功能。電不透明度反映樣品內容物的信息，兩者均為同等材質的微球，故通過電不透明度無法區分。
圖4 不同粒徑聚苯乙烯微球檢測：（ａ）電不透明度－低頻幅值散點圖及電不透明度和低頻幅值直方圖；（ｂ）幅值的均值及標準差
相似粒徑微球和細胞的區分
為驗證系統對相似粒徑不同粒子的區分能力，采用HEPG2肝癌細胞和10μm的聚苯乙烯微球進行實驗。HEPG2肝癌細胞的尺寸約12μm。分別取755和797個點進行數據處理，獲得電不透明度-低頻幅值散點圖及電不透明度和低頻幅值直方圖（圖5（a））。結果顯示，在粒徑上區分不開的兩種微粒，可以通過電不透明度區分，電不透明度反映了顆粒內容物的信息，細胞與微球內容物的確不一樣，兩者電學差異較大，實驗結果與實際相符。
圖5 相似粒徑聚苯乙烯微球和細胞檢測：（a）電不透明度－低頻幅值散點圖及電不透明度和低頻幅值直方圖；（b）幅值的均值及標準差
綜上所述，該研究通過自行搭建的微流控阻抗流式系統，實現了對不同粒徑的聚苯乙烯微球和細胞的無標記檢測。鎖相放大電路可以實現微粒信號的放大并通過算法提取。通過聚苯乙烯微球和細胞驗證了系統的性能。5μm微球低頻幅值與10μm微球差異明顯，HEPG2肝癌細胞電不透明度與10μm微球比較具有一定差異，表明該系統具有根據電學特征區分粒子體積和內容物的功能，為微流控阻抗流式研究開辟了一個有應用前景的平臺。
論文鏈接：
https://doi.org/10.20027/j.gncq.2022.0052
來源：MEMS
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