微流控單細(xì)胞電阻檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、單細(xì)胞水平的生物物理特性表征，可有效闡明細(xì)胞的基本結(jié)構(gòu)、功能信息及病理狀態(tài)，揭示細(xì)胞間的個(gè)體差異性，對(duì)于細(xì)胞的種類鑒別與癌癥等重大疾病的早期診斷等具有非常重要的意義。由于具有與細(xì)胞尺度相匹配的微米級(jí)通道，微流控芯片在細(xì)胞的微環(huán)境控制、運(yùn)動(dòng)調(diào)控及性能表征等方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，微流控已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)涉及機(jī)械、電子、材料、流體、生物和醫(yī)學(xué)等諸多學(xué)科的前沿技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)基于微流控技術(shù)的單細(xì)胞物理特性表征方法，有望成為新一代即時(shí)檢測(cè)儀

2、器的關(guān)鍵突破口。在回顧片上單細(xì)胞物理特性表征技術(shù)的最新研究現(xiàn)狀與存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，本文開(kāi)發(fā)了一套便攜式的通用電阻抗測(cè)量系統(tǒng)，并先后研制出具有不同功能的微型庫(kù)爾特計(jì)數(shù)器、阻抗流式細(xì)胞儀和微型阻抗分析儀，以期在全血中循環(huán)腫瘤細(xì)胞的鑒別、計(jì)數(shù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)等方面提供一套有益方法，取得下列創(chuàng)新性研究成果:
　　(1)在細(xì)胞介電理論與阻抗測(cè)量方面:研究建立描述單細(xì)胞懸浮液系統(tǒng)介電特性的Maxwell混合模型與等效電路模型，并探索系統(tǒng)介電特性在時(shí)

3、域和頻率內(nèi)的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于偽隨機(jī)m序列相關(guān)辨識(shí)原理獲取細(xì)胞寬頻阻抗譜的新方法，在極短的0.5115ms內(nèi)測(cè)得從1.953KHz到1MHz共512個(gè)頻率下的細(xì)胞阻抗信息。編寫(xiě)LabVIEW同步采集程序，利用數(shù)據(jù)采集卡和電流放大器實(shí)現(xiàn)m序列激勵(lì)信號(hào)的施加與響應(yīng)信號(hào)的獲取;開(kāi)發(fā)MATLAB信號(hào)分析處理程序，對(duì)采集到的響應(yīng)信號(hào)依次進(jìn)行快速M(fèi)變換和快速傅里葉變換得到交流阻抗信息。通過(guò)制作一個(gè)已知電學(xué)參數(shù)的RC測(cè)試電路，驗(yàn)證

4、了基于偽隨機(jī)m序列寬頻阻抗測(cè)量技術(shù)的可靠性。由于激勵(lì)信號(hào)的生成、響應(yīng)信號(hào)的獲取以及阻抗信號(hào)的分析處理等均通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)的電阻抗測(cè)量系統(tǒng)具有良好的便攜性，且可通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的程序方便地實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的直流或交流阻抗檢測(cè)。
　　(2)在腫瘤細(xì)胞直流阻抗檢測(cè)方面:研制一種集成慣性聚焦技術(shù)與液體電極傳感技術(shù)的微型庫(kù)爾特計(jì)數(shù)器，旨在實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的高通量計(jì)數(shù)、體積表征與種類鑒別。利用非對(duì)稱彎流道內(nèi)的微流體慣性效應(yīng)將細(xì)胞穩(wěn)定聚焦在特定的橫向位置，保

5、證了后續(xù)直流電阻抗測(cè)量的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。通過(guò)向Ag/AgCl電極腔內(nèi)填充高電導(dǎo)率溶液形成的液體電極結(jié)構(gòu)縮短了檢測(cè)區(qū)域的長(zhǎng)度，有效提高了測(cè)得直流阻抗峰值對(duì)被測(cè)對(duì)象尺寸的靈敏度。通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的聚苯乙烯粒子先后對(duì)樣品流量與電極腔補(bǔ)充液流量進(jìn)行優(yōu)化，并在測(cè)得阻抗峰值與粒子體積間建立了嚴(yán)格的線性關(guān)系，獲得高達(dá)每秒5000個(gè)粒子的檢測(cè)通量。將優(yōu)化后的微型庫(kù)爾特計(jì)數(shù)器用于人體乳腺癌細(xì)胞系MCF-7細(xì)胞和人體白細(xì)胞的測(cè)量，得到MCF-7細(xì)胞與白細(xì)胞的平

6、均直徑分別為14.28μm和9.01μm。最后，根據(jù)兩種細(xì)胞直流阻抗峰值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，設(shè)定鑒別閾值并成功在混合細(xì)胞樣品中識(shí)別出MCF-7細(xì)胞。
　　(3)在腫瘤細(xì)胞交流阻抗檢測(cè)方面:研制一種集成粘彈性聚焦技術(shù)與寬頻阻抗測(cè)量技術(shù)的阻抗流式細(xì)胞儀，旨在實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的連續(xù)交流阻抗檢測(cè)與種類鑒別。利用方形直流道內(nèi)PEO溶液的慣性效應(yīng)與粘彈性效應(yīng)將細(xì)胞規(guī)則排列于流道的中心，并通過(guò)微流道底部的ITO平面電極將開(kāi)發(fā)的寬頻阻抗測(cè)量技術(shù)用于分析流動(dòng)態(tài)細(xì)胞

7、的交流阻抗信息（幅值和相位角）。通過(guò)比較有無(wú)聚焦單元兩種情況下測(cè)得的粒子阻抗信號(hào)驗(yàn)證了粘彈性聚焦預(yù)處理的必要性，并系統(tǒng)研究了不同樣品流速下MCF-7細(xì)胞在方形直流內(nèi)的粘彈性聚焦行為。隨后，分析不同頻率下粒子通過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí)引起的阻抗變化情況，確定交流阻抗信號(hào)分析的最佳頻率，并在此基礎(chǔ)上探索了流道尺寸與樣品流速對(duì)粒子阻抗測(cè)量的影響。最后，將提出的阻抗流式細(xì)胞儀用于MCF-7細(xì)胞和白細(xì)胞的檢測(cè)，根據(jù)測(cè)得的阻抗峰值統(tǒng)計(jì)結(jié)果設(shè)定鑒別閾值，成功在混

8、合細(xì)胞樣品中鑒別出MCF-7細(xì)胞。
　　(4)在腫瘤細(xì)胞狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面:研制一種集成流體動(dòng)力學(xué)捕獲技術(shù)與寬頻阻抗測(cè)量技術(shù)的微型阻抗分析儀，旨在實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞的自動(dòng)捕獲與狀態(tài)監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)蛇形流道捕獲陣列，基于最小流阻路徑原理實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的確定性、自動(dòng)化捕獲，并通過(guò)與捕獲單元對(duì)應(yīng)的ITO電極陣列，將開(kāi)發(fā)的寬頻阻抗測(cè)量技術(shù)用于捕獲細(xì)胞的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。制作三種具有不同蛇形流道結(jié)構(gòu)的微流控芯片，系統(tǒng)研究了MCF-7細(xì)胞在微流道內(nèi)的流體動(dòng)力學(xué)捕獲行為，獲得