微流体单细胞/细菌/粒子等的检测/计数/分选
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微流体单细胞/细菌/粒子等的检测/计数/分选

电阻抗检测技术广泛应用于材料科学、生命科学、食品安全、疾病诊断等领域。在微流控领域,电阻抗检测技术可应用于单细胞或微液滴的检测与分析、生物组织分析、细胞计数、细胞分选、交流介电电泳(DEP)和生物阻抗测量等。实验室内的微流控电阻抗检测系统在一定程度上可以看成是由多个不同功能的模块经过有效的有机组合而成的。该检测系统主要包括五个模块:微流控电阻抗检测芯片、微流控芯片进样泵、流量计或压力计、电阻抗分析仪/锁相放大器、光学显微镜等,如下图所示。

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对于以上五个模块的组合,我们在此给出三个微流体电阻抗检测的连接示例,如下图1所示。从下图中可以看到,微流体电阻抗检测系统的过程为多通道压力&真空控制器OB1 Mk3+将样品储液池内的液体推入到微流体毛细导管内,然后液体经过低流量传感器MFS后,进入到微流体芯片的通道内。电信号测量仪器如MFLI锁相放大器、HF2LI双通道锁相放大器、Moku:Lab多功能测量仪等产生激励电压信号,施加到微流体芯片的激励电极上,微流体芯片的测量电极输出微弱的电流信号,电流信号经过电流放大器或者跨阻放大器并放大后成为电压信号,电信号测量仪器检测该电压信号。


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HF2LI双通道锁相放大器和OB1多通道压力控制器及低流量传感器MFS组成的电阻抗检测系统


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Keysight阻抗分析仪E4990A和OB1多通道压力控制器及低流量传感器MFS组成的电阻抗检测系统


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MFLI数字锁相放大器和液体驱动泵组成的电阻抗检测系统


图1 三种常见的微流体动态电阻抗检测和分选系统连接的实物图


如下以瑞士苏黎世仪器的HF2LI双通道锁相放大器和OB1多通道压力控制器及微流控电阻抗芯片为例介绍微流控动态电阻抗检测的原理。


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图2 HF2LI锁相放大器和OB1压力控制器与微流体电阻抗芯片的连接示意图


动态电阻抗检测可用于测量微流体芯片通道内单个粒子的介电特性。以共面三电极的微流控电阻抗芯片为例介绍动态电阻抗检测的过程,芯片结构示意图如图2所示。在微流体芯片通道内加工三个金属微电极,其中中间的微电极作为激励电压电极,两端的金属微电极作为测量电极,用于测量介质溶液中单个粒子经过时的电流变化。首先,OB1多通道压力控制器对样品储液池内的液体施加压力,液体进入到微流体毛细导管内,接着通过低流量传感器MFS,然后进入到微流体电阻抗芯片的通道内。低流量传感器MFS用于测量流入到微流控芯片通道内的液体流量变化,从而避免测量粒子堵塞芯片通道。HF2LI双通道锁相放大器输出一个或多个不同频率和不同电压的交流电压信号,施加到微流控电阻抗芯片的激励电极上,激励电极和两侧的两个测量电极之间会产生电场,同时,测量电极输出电流信号。该电流信号通过电流放大器HF2TA或跨阻放大器并被放大,转换为电压信号。HF2LI双通道锁相放大器采用差分测量的方式直接测量该电压信号。当液体中的粒子经过微流控电阻抗芯片的电极区域时,电场会受到粒子的扰动而产生电流的变化,该电流变化的幅度取决于粒子的尺寸、形状和介电性质。差分测量电压信号的优势是可以大幅度的抑制各种噪音或干扰信号。HF2LI双通道锁相放大器可以同时解调一个频率或多个不同频率的差分电压信号,从而给出每一个频率信号的同相分量和正交分量或者幅值和相位值,同时抵制所有其他频率信号的干扰。所测量的电阻抗的变化可以在本地电脑上的LabOne软件里的Plotter进行实时观察且测量的数据可直接保存在本地电脑,方便后续使用MATLAB、Python、Origin、R等软件进行数据的分析处理。


LabOne软件显示的动态差分测量信号的显示曲线


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带有共面金属电极的PDMS芯片中产生油包水微液滴,石蜡油为连续相(含span80表面活性剂),经过滤后的去离子水为分散相。产生的微液滴如下视频所示。




MFLI锁相放大器采用动态差分测量方法检测PDMS芯片中产生的微液滴视频如下所示。








微流控细胞或细菌的动态检测应用的介绍


参考文献


Ismail Bilican, Tolga Bahadir, Kemal Bilgin, Mustafa Tahsin Gulerbe, Alternative screening method for analyzing the water samples through an electrical microfluidics chip with classical microbiological assay comparison of P. aeruginosa, Talanta, June 15, 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.talanta.2020.121293



Ismail Bilican, Mustafa Tahsin Guler, Murat Serhatlioglu, Talip Kirindi, Caglar Elbuken, Focusing-free impedimetric differentiation of red blood cells and leukemia cells: A system optimization, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 307, 15 March 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127531


Caglar Elbuken, et al, Impedimetric Cell Detection using Microfluidic Viscoelastic Focusing, International Journal of Engineering Research and
Development, 2019, 11(2), DOI: https://doi.org/10.29137/umagd.532269



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