高通量检测细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数装置和方法制造方法及图纸

本公开提供了一种高通量检测细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数装置和方法，该装置包括：微流控芯片，包括：主压缩通道，其横截面积小于细胞横截面积，使细胞沿其产生拉伸并流动；辅压缩通道，与主压缩通道交叉联通，其横截面积小于拉伸的细胞的侧边横截面积；以及电极，分别设置于辅压缩通道两端，在两电极间形成导电通道；阻抗测量模块，连接两个电极，测量细胞流经主压缩通道和辅压缩通道的交叉位置时两电极间阻抗数据；以及数据处理模块，连接至阻抗测量模块，根据获得的阻抗数据计算细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数。进一步提供了使用该装置进行检测的方法。本公开实现了前述参数的高通量检测，峰值检测通量可达到100cells/s。

Device and method for high-throughput detection of cell size and size independent of single cell electrical parameters

The present disclosure provides a high throughput detection of cell size, size independent single cell electrical parameter devices and methods. The device includes: microfluidic chips, including: the main compression channel, whose cross section is less than the cell cross section, causes the cell to stretch and flow along it, and the auxiliary compression channel is interconnected with the main compression channel. Its cross section is less than the lateral cross section area of the stretched cells; and the electrodes are set at the two ends of the auxiliary compression channel to form a conductive channel between the two electrodes; the impedance measurement module connects two electrodes to measure the impedance data between the two electrodes when the cells flow through the main compression channel and the auxiliary compression channel; and the number of the impedance data is measured. According to the processing module, it is connected to the impedance measurement module, and the cell size and size are independent of the single cell electrical parameters according to the acquired impedance data. A method for detection using the device is further provided. The high throughput detection of the above parameters is achieved in the public, and the peak detection flux can reach 100cells/s.

【技术实现步骤摘要】
高通量检测细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数装置和方法
本公开涉及微流控
，尤其涉及一种高通量检测细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数装置和方法。
技术介绍
细胞异质性(heterogeneity)是一种从细菌细胞到真核细胞普遍存在的生物学现象。研究单细胞的异质性对于理解干细胞分化过程、肿瘤诊疗等有着重要意义。在研究单细胞异质性的众多表征方法中，细胞尺寸是一项很重要的物理参数。此外，单细胞电学特性作为一种重要的单细胞生物物理特性，已经被证明可以用于区分不同的肿瘤细胞、血细胞。单细胞电学特性包括细胞膜电容和细胞质电阻，考虑到细胞在尺寸上的差异，使用独立于细胞尺寸的参数进行细胞间的比较更有意义。而若想得到独立于细胞尺寸的参数，即细胞膜比电容和细胞质电导率，则需依赖于细胞尺寸参数。所以，细胞尺寸、细胞膜比电容、细胞质电导率的检测具有重要意义。关于细胞尺寸的检测，一般可通过采集细胞图像并通过图像处理软件对细胞直径进行测量。本课题组曾提出，基于压缩通道，显微镜和高速摄像机拍摄到细胞在压缩通道中伸长的图像，进行图像处理得到细胞的伸长长度，但是因为受限于高速光学拍照，无法实现高通量检测。而针对细胞尺寸和细胞电学特性同时进行高通量检测的方法则更鲜有报道。基于微流控技术研究单细胞电学特性的方法主要有阻抗频谱技术、微阻抗流式细胞仪等。阻抗频谱技术的具体步骤是通过微操作方法(如流体力捕获、负压吸取、介电泳力捕获、表面修饰等)，将细胞固定在电极之间，记录阻抗变化，表征细胞电学特性。该方法不能连续测量且通量低；微阻抗流式细胞仪是在流式细胞仪的基础上，在流道侧壁安装电极，通过检测细胞流过时多个频率点阻抗变化表征细胞电学特性。该方法可高通量得到细胞尺寸数据以及细胞膜电容、细胞质电导等电学参数。但是电极之间存在溶液，会形成较大的漏电流，无法得到尺寸无关的单细胞电参数。因此发展一种高通量检测细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数的方法是非常有意义的。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种高通量检测细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数装置和方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数的高通量检测装置，尺寸无关单细胞电参数包括细胞膜比电容和细胞质电导率，该高通量检测装置包括：微流控芯片，包括：主压缩通道，其横截面积小于细胞横截面积，用于使细胞沿主压缩通道产生拉伸并流动；辅压缩通道，与主压缩通道交叉联通，辅压缩通道的横截面积小于拉伸的细胞的侧边横截面积；以及电极，分别设置于辅压缩通道的两端，并且两个电极均和辅压缩通道连通，用于形成导电通道；阻抗测量模块，连接两个电极，用于在若干检测频率下分别测量细胞流经主压缩通道和辅压缩通道的交叉位置时导电通道内的阻抗变化；以及数据处理模块，连接至阻抗测量模块，用于根据导电通道内单一检测频率下的阻抗数据随细胞流动的变化规律，计算沿主压缩通道方向的细胞尺寸，以及根据在至少两个检测频率下有细胞通过所述交叉位置时的阻抗数据、和无细胞通过所述交叉位置时的阻抗数据，计算得到细胞膜比电容和细胞质电导率。在本公开的一些实施例中，数据处理模块根据以下公式计算细胞尺寸lcell：vcell×(t2-t1)＝lchannel2或vcell×(t4-t3)＝lchannel2；以及vcell×(t3-t2)＝lcell-lchannel2；其中，vcell为细胞在主压缩通道中的通过速率，lchannel2为辅压缩通道在主压缩通道方向上的横截面宽度，t1、t2、t3和t4分别为阻抗变化过程中阻抗幅值增加、维持、减小再到维持或阻抗相位减小、维持、增加再到维持的开始时刻。在本公开的一些实施例中，主压缩通道的横截面为矩形、圆形或半圆形，横截面尺寸介于5～20μm之间；辅压缩通道的横截面为矩形、圆形或半圆形，横截面尺寸介于2.5～8μm之间。在本公开的一些实施例中，微流控芯片还包括：细胞流入通道，连接至主压缩通道，用于使细胞顺利进入主压缩通道；以及细胞回收通道，连接至主压缩通道，用于使细胞从主压缩通道流出后排出微流控芯片。在本公开的一些实施例中，该高通量检测装置还包括：压力控制模块，连接至细胞流入通道或细胞回收通道，用于提供细胞在主压缩通道内流动的动力。在本公开的一些实施例中，阻抗测量模块的检测频率为0～1MHz。在本公开的一些实施例中，数据处理模块根据以下公式计算细胞膜比电容和细胞质电导率：Zm＝Zparasitic||Rchannel；Zm＝＝Zparasitic||{Rchannel′+[Rleak||(Rcytoplasm+2×Zmembranel)]}；以及其中，Zm为总等效阻抗，Zparasitic为寄生电容阻抗，Rchannel为两电极间导电溶液总电阻，j为复数中虚数符号，f为检测频率，Cparasitic为寄生电容，r为对微流控通道进行有限元仿真得到的比例系数，Rchannel4为辅压缩通道部分的总电阻，lec为辅压缩通道总长度；Sec为辅压缩通道横截面积；σliquid为导电溶液电导率，Rchannel’为两电极间不含交叉位置的导电溶液的电阻，lchannell为主压缩通道宽度，Zmembranel为细胞膜阻抗，Rcytoplasm为细胞质电阻，Rleak为细胞周围没有完全填充部分的漏电阻，Cmembranel为细胞膜电容，Cspecificmembrane为细胞膜比电容，σcytoplasm为细胞质电导率，Sea为利用数值模拟得到的修正因子MF对Sec进行修正得到的细胞质电阻等效面积。。根据本公开的另一个方面，提供一种使用如上所述的高通量检测装置进行细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数检测的方法，包括：使主压缩通道和导电通道内充满导电溶液；在若干检测频率下分别测量细胞流经主压缩通道和辅压缩通道的交叉位置时导电通道内的阻抗变化；根据导电通道内的单一检测频率下阻抗数据随细胞流动的变化规律，计算沿主压缩通道方向的细胞尺寸；以及根据在至少两个检测频率下有细胞通过所述交叉位置时的阻抗数据，以及无细胞通过所述交叉位置时的阻抗数据，计算得到细胞膜比电容和细胞质电导率。在本公开的一些实施例中，根据以下公式计算细胞尺寸lcell：vcell×(t2-t1)＝lchannel2或vcell×(t4-t3)＝lchannel2；以及vcell×(t3-t2)＝lcell-lchannel2；其中，vcell为细胞在主压缩通道中的通过速率，lchannel2为辅压缩通道在主压缩通道方向上的横截面宽度，t1、t2、t3和t4分别为阻抗变化过程中阻抗幅值增加、维持、减小再到维持或阻抗相位减小、维持、增加再到维持的开始时刻。在本公开的一些实施例中，检测频率的范围为0～1MHz。在本公开的一些实施例中，细胞膜比电容和细胞质电导率通过以下公式计算得到：Zm＝Zparasitic||Rchannel；Zm＝Zparasitic||{Rchannel′+[Rleak||(Rcytoplasm+2×Zmembranel)]}；以及其中，Zm为总等效阻抗，Zparasitic为寄生电容阻抗，Rchannel为两电极间导电溶液总电阻，j为复数中虚数符号，f为检测频率，Cparasitic本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数的高通量检测装置，所述尺寸无关单细胞电参数包括细胞膜比电容和细胞质电导率，该高通量检测装置包括：微流控芯片，包括：主压缩通道，其横截面积小于细胞横截面积，用于使细胞沿所述主压缩通道产生拉伸并流动；辅压缩通道，与所述主压缩通道交叉联通，所述辅压缩通道的横截面积小于拉伸的细胞的侧边横截面积；以及电极，分别设置于所述辅压缩通道的两端，并且两个电极均和所述辅压缩通道连通，用于形成导电通道；阻抗测量模块，连接两个所述电极，用于在若干检测频率下分别测量细胞流经主压缩通道和辅压缩通道的交叉位置时所述导电通道内的阻抗变化；以及数据处理模块，连接至所述阻抗测量模块，用于根据导电通道内单一检测频率下的阻抗数据随细胞流动的变化规律，计算沿所述主压缩通道方向的细胞尺寸，以及根据在至少两个检测频率下有细胞通过所述交叉位置时的阻抗数据、和无细胞通过所述交叉位置时的阻抗数据，计算得到细胞膜比电容和细胞质电导率。

【技术特征摘要】
1.一种细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数的高通量检测装置，所述尺寸无关单细胞电参数包括细胞膜比电容和细胞质电导率，该高通量检测装置包括：微流控芯片，包括：主压缩通道，其横截面积小于细胞横截面积，用于使细胞沿所述主压缩通道产生拉伸并流动；辅压缩通道，与所述主压缩通道交叉联通，所述辅压缩通道的横截面积小于拉伸的细胞的侧边横截面积；以及电极，分别设置于所述辅压缩通道的两端，并且两个电极均和所述辅压缩通道连通，用于形成导电通道；阻抗测量模块，连接两个所述电极，用于在若干检测频率下分别测量细胞流经主压缩通道和辅压缩通道的交叉位置时所述导电通道内的阻抗变化；以及数据处理模块，连接至所述阻抗测量模块，用于根据导电通道内单一检测频率下的阻抗数据随细胞流动的变化规律，计算沿所述主压缩通道方向的细胞尺寸，以及根据在至少两个检测频率下有细胞通过所述交叉位置时的阻抗数据、和无细胞通过所述交叉位置时的阻抗数据，计算得到细胞膜比电容和细胞质电导率。2.根据权利要求1所述的高通量检测装置，其中，所述数据处理模块根据以下公式计算所述细胞尺寸lcell：vcell×(t2-t1)＝lchannel2或vcell×(t4-t3)＝lchannel2；以及vcell×(t3-t2)＝lcell-lchannel2；其中，vcell为细胞在主压缩通道中的通过速率，lchannel2为辅压缩通道在主压缩通道方向上的横截面宽度，t1、t2、t3和t4分别为阻抗变化过程中阻抗幅值增加、维持、减小再到维持或者阻抗相位减小、维持、增加再到维持的开始时刻。3.根据权利要求1所述的高通量检测装置，其中：所述主压缩通道的横截面为矩形、圆形或半圆形，横截面尺寸介于5～20μm之间；所述辅压缩通道的横截面为矩形、圆形或半圆形，横截面尺寸介于2.5～8μm之间。4.根据权利要求1所述的高通量检测装置，其中：所述微流控芯片还包括：细胞流入通道，连接至所述主压缩通道，用于使细胞顺利进入所述主压缩通道；以及细胞回收通道，连接至所述主压缩通道，用于使细胞从所述主压缩通道流出后排出所述微流控芯片；所述高通量检测装置还包括：压力控制模块，连接至所述细胞流入通道或所述细胞回收通道，用于提供细胞在所述主压缩通道内流动的动力。5.根据权利要求1所述的高通量检测装置，其中，所述阻抗测量模块的检测频率为0～1MHz。6.根据权利要求1所述的高通量检测装置，其中，所述数据处理模块根据以下公式计算所述细胞膜比电容和细胞质电导率：Zm＝Zparasitic||Rchannel；Zm＝Zparasitic||{Rchannel′+[Rleak||(Rcytoplasm+2×Zmembranel)]}；以及其中，Zm为总等效阻抗，Zparasitic为寄生电容阻抗，Rchannel为两电极间导电溶液总电阻，j为复数中虚数符号，f为检测频率，Cparasitic为寄生电容，r为对微流控通道进行有限元仿真得到的比例系数，Rchannel4为辅压缩通道部分的总电阻，lec为辅压...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈健，张毅，赵阳，王棵，陈德勇，王军波，黄成军，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11