CN111596134B - 基于压缩通道的单细胞生物电参量检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于压缩通道的单细胞生物电参量检测装置及检测方法，该检测装置包括微流控芯片、阻抗测量模块和压力控制模块，其中，装置核心微流控芯片包括绝缘承载体和绝缘衬底，其中，绝缘承载体包括细胞流入通道、前端主压缩通道、前端侧压缩通道、后端主压缩通道、中间侧压缩通道、后端侧压缩通道以及细胞回收通道；其中，所述绝缘衬底包括金属电极，所述前端侧压缩通道、中间侧压缩通道和后端侧压缩通道均与金属电极连接。该检测方法包括进行实验得到原始阻抗数据的方法和数据处理得到单细胞生物电参量的方法，本发明实现了细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的高通量检测；有效扩展了待测细胞的尺寸范围。

Description

基于压缩通道的单细胞生物电参量检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于生物医学检测领域，具体涉及一种基于压缩通道的单细胞生物电参量检测装置及检测方法。

背景技术

单细胞生物电学参量主要包括细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径。其中，细胞膜由绝缘的磷脂双分子层和膜蛋白镶嵌或附着构成，这使细胞膜具有电容的电学性质，该电容的数值与磷脂双分子层和膜蛋白相关，而单位面积的细胞膜电容即为细胞膜比电容；与此同时，细胞质则通常被等效为电阻，该电阻的数值与骨架蛋白、细胞核以及细胞膜内离子浓度相关，而细胞质电导率则为反映细胞质电阻导电能力强弱的物理量；细胞直径同样是反映细胞生物电学特性的重要物理量。以上三个生物电学参量细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径与细胞的生理病理过程息息相关，例如，不同的血细胞、不同侵袭能力的肿瘤细胞、不同分化阶段的干细胞之间生物电学参量均存在差异。然而，目前已有的检测单细胞生物电学参量的方法受限于检测通量低、检测参数数量有限或者待测细胞尺寸范围有限的问题，均无法实现宽尺寸范围下的单细胞细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的高通量检测。

检测单细胞生物电学参量的传统方法主要有介电泳、电旋转和微阻抗谱，在这类方法中，待测细胞被固定在特定的位置，接着采集多频阻抗数据并且转换为细胞膜比电容和细胞质电导率。这类方法中操纵和定位细胞耗时长、对操作熟练度要求高，因此受限于检测通量低的问题，无法得到具有统计学意义的大量数据结果。

为提高检测通量，阻抗流式细胞仪被用于单细胞生物电学参量检测，大概工作原理是在细胞流经横截面积被限制微孔的过程中，进行阻抗测量，表征生物电学特性。然而，该方法受限于加工工艺，不同批次之间微孔和电极尺寸差异较大，多次实验之间会产生不一致的结果。为解决前述方法的问题，提出了基于微流控技术改进的方法，大致工作原理是控制细胞连续通过微细加工形成的通道，同时进行阻抗测量，表征生物电学特性。然而，由于通道几何尺寸的限制和相应等效电学模型的缺失，该方法无法得到固有生物电学参数(例如细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径等)，即检测参数数量有限。

为解决上述问题，基于压缩通道的微流控平台被用于单细胞生物电学参量检测。大致工作原理是控制细胞高速通过压缩通道，并且进行阻抗测量，接着基于相应的等效电学模型可将原始阻抗数据转化为固有生物电学参量。其中，“一字形”压缩通道可实现细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的同时检测，但受到图像采集和处理过程的影响，检测通量被限制；同时由于压缩通道的使用，待测细胞尺寸范围同样受到限制。对于“十字形”压缩通道，得益于避免了图像采集和处理过程，检测通量显著提高，但无法得到细胞尺寸，只能检测细胞膜比电容和细胞质电导率，受限于检测参数的数量；此外，同样受到压缩通道结构的影响，待测细胞尺寸范围也受到限制。对于“双T形”压缩通道，可实现细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的高通量检测，但由于压缩通道的使用，待测细胞尺寸范围会受到限制。

所以，亟需发展一种宽尺寸范围下的单细胞生物电学参量高通量检测装置及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于压缩通道的微流控芯片、单细胞生物电参量检测装置及检测方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种微流控芯片，包括绝缘承载体和绝缘衬底，其中，绝缘承载体包括：

细胞流入通道，用于细胞注入；

前端主压缩通道，用于对第一细胞压缩；

前端侧压缩通道，其设置在前端主压缩通道上，用于检测第一细胞的生物电学参量；

后端主压缩通道，用于对第二细胞压缩；

中间侧压缩通道，其设置在后端主压缩通道上，用于检测第二细胞的生物电学参量；

后端侧压缩通道，其设置在后端主压缩通道上，用于检测第二细胞的生物电学参量；以及

细胞回收通道，用于回收细胞；

其中，所述绝缘衬底包括金属电极，所述前端侧压缩通道、中间侧压缩通道和后端侧压缩通道均与金属电极连接。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种基于压缩通道的单细胞生物电参量检测装置，包括：

如上所述的微流控芯片；

阻抗测量模块，用于检测中间侧压缩通道上电极与前端侧压缩通道和后端侧压缩通道上电极之间的阻抗；以及

压力控制模块，用于驱动细胞流过前端主压缩通道和后端主压缩通道，并且依次经过前端侧压缩通道、中间侧压缩通道和后端侧压缩通道，最终通过细胞回收通道流出。

作为本发明的又一个方面，还提供了一种单细胞生物电学参量的检测方法，采用如上所述的单细胞生物电参量检测装置，包括：

S1、注入细胞悬浮液，驱动细胞在微流控芯片的通道内流动；

S2、分别记录无细胞通过和有细胞通过时连接中间侧压缩通道上的电极与连接前端侧压缩通道和后端侧压缩通道上的电极之间的阻抗，作为原始数据；

S3、对原始数据进行处理，计算细胞生物电学参量。

基于上述技术方案可知，本发明的基于压缩通道的微流控芯片、单细胞生物电参量检测装置及检测方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：

(1)本发明实现了细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的高通量(例如，检测通量可达每秒10个细胞)检测；本发明中，细胞能够连续通过检测区域，并且基于等效模型可将原始阻抗数据转化为细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径，实现了这三个生物电学参量的高通量检测；目前已有的可检测单细胞生物电学参量的方法中，传统方法(如介电泳、电旋转和微阻抗谱等)均受到操纵和定位细胞过程的影响，无法实现高通量检测；阻抗流式细胞仪则受限于缺乏等效电学模型，无法得到任何单细胞固有生物电学参量(如细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径等)；基于压缩通道的方法中，“一字形”压缩通道受限于图像采集和处理的过程，无法实现高通量检测、而“十字形”压缩通道则受限于结构特征，无法得到细胞直径信息；

(2)有效扩展了待测细胞的尺寸范围；本发明关键结构微流控芯片模块中包含了分别针对尺寸较大细胞和尺寸较小细胞的两个检测区域，突破了压缩通道结构的限制，同时保证了尺寸差异较大的两类细胞生物电学参量检测的有效性，扩展了待测细胞的尺寸范围。目前仅基于“双T形”压缩通道的方法可实现单细胞细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的高通量检测，但由于压缩通道的使用，待测细胞尺寸范围会受到限制。

附图说明

图1为本发明实施例中硬件装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中微流控芯片模块结构示意图；

图3为本发明实施例中细胞拉伸长度求解等效模型；

图4为本发明实施例中细胞膜比电容和细胞质电导率求解等效电学模型，其中(a)、(b)、(c)分别为无细胞通过时、第一细胞(大尺寸细胞)通过时以及第二细胞(小尺寸细胞)通过时的等效电学模型。

附图标记说明：

100-微流控芯片；200-阻抗测量模块；300-压力控制模块；

10-细胞流入通道；20-前端主压缩通道；21-前端侧压缩通道；30-后端主压缩通道；31-中间侧压缩通道；32-后端侧压缩通道；40-细胞回收通道；50-电极；60-细胞。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种微流控芯片，包括绝缘承载体和绝缘衬底，其中，绝缘承载体包括：

细胞流入通道，用于细胞注入；

前端主压缩通道，用于对第一细胞压缩；

前端侧压缩通道，其设置在前端主压缩通道上，用于检测第一细胞的生物电学参量；

后端主压缩通道，用于对第二细胞压缩；

中间侧压缩通道，其设置在后端主压缩通道上，用于检测第二细胞的生物电学参量；

后端侧压缩通道，其设置在后端主压缩通道上，用于检测第二细胞的生物电学参量；以及

细胞回收通道，用于回收细胞；

其中，所述绝缘衬底包括金属电极，所述前端侧压缩通道、中间侧压缩通道和后端侧压缩通道均与金属电极连接。

在本发明的一些实施例中，所述生物电学参量包括细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径。

在本发明的一些实施例中，所述微流控芯片的各通道的长度、宽度或高度均是根据细胞直径确定的。

在本发明的一些实施例中，所述第一细胞的直径均值为10至15μm；

在本发明的一些实施例中，所述第二细胞的直径均值为6至10μm；

在本发明的一些实施例中，所述前端主压缩通道的横截面积W_mc1×H为10μm×4μm至14μm×10μm；

在本发明的一些实施例中，所述后端主压缩通道的横截面积W_mc2×H为4μm×4μm至10μm×10μm；

在本发明的一些实施例中，所述前端侧压缩通道的横截面积W_sc1×H为3μm×4μm至7μm×10μm；

在本发明的一些实施例中，所述后端侧压缩通道的横截面积W_sc3×H为2μm×4μm至5μm×10μm；

在本发明的一些实施例中，所述中间侧压缩通道的横截面积W_sc2×H为2μm×4μm至5μm×10μm；

在本发明的一些实施例中，所述前端侧压缩通道与前端主压缩通道末端之间的距离L_mc1为40至60μm；

在本发明的一些实施例中，所述后端主压缩通起始端与中间侧压缩通道起始端之间的距离L_mc2至少为50μm；

在本发明的一些实施例中，所述中间侧压缩通道起始端与后端侧压缩通起始端之间的距离L_mc3为40至60μm；

在本发明的一些实施例中，所述后端侧压缩通起始端与细胞回收通道起始端之间的距离L_mc4至少为50μm。

本发明公开了一种基于压缩通道的单细胞生物电参量检测装置，包括：

如上所述的微流控芯片；

阻抗测量模块，用于检测中间侧压缩通道上电极与前端侧压缩通道和后端侧压缩通道上电极之间的阻抗；以及

压力控制模块，用于驱动细胞流过前端主压缩通道和后端主压缩通道，并且依次经过前端侧压缩通道、中间侧压缩通道和后端侧压缩通道，最终通过细胞回收通道流出。

本发明公开了一种单细胞生物电学参量的检测方法，采用如上所述的单细胞生物电参量检测装置，包括：

S1、注入细胞悬浮液，驱动细胞在微流控芯片的通道内流动；

S2、分别记录无细胞通过和有细胞通过时连接中间侧压缩通道上的电极与连接前端侧压缩通道和后端侧压缩通道上的电极之间的阻抗，作为原始数据；

S3、对原始数据进行处理，计算细胞生物电学参量。

在本发明的一些实施例中，步骤S3中所述计算细胞生物电学参量包括：

步骤S31：细胞拉伸长度的计算；

步骤S32：细胞膜电容和细胞质电阻的计算；以及

步骤S33：细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的计算。

在本发明的一些实施例中，步骤S31中细胞拉伸长度的计算方法包括：

针对单一频率下阻抗幅值数据进行处理，得到无细胞通过时的阻抗幅值基线和有细胞通过时的阻抗幅值变化曲线；

然后针对单一细胞通过时的阻抗幅值数据进行处理，统计阻抗波形中包含的平台个数；

根据平台个数计算细胞拉伸长度，完成细胞拉伸长度的计算；

在本发明的一些实施例中，当平台个数为2时，细胞拉伸长度的计算公式包括：

L_cell+W_sc1＝v×t₁； (式1)

L_mc1-L_cell＝v×t₂； (式2)

其中，v为细胞通过速度；L_cell为细胞拉伸长度；W_sc1为前端侧压缩通道宽度；L_mc1为前端侧压缩通道到前端主压缩通道末端之间的距离；t₁为细胞经过前端侧压缩通道的时间；t₂为细胞在前端主压缩通道中前端侧压缩通道到前端主压缩通道末端之间穿行的时间；

在本发明的一些实施例中，当平台个数为3时，细胞拉伸长度的计算公式包括：

L_mc3-L_cell＝v×t₃； (式3)

L_cell+W_sc3＝v×t₄； (式4)

其中，v为细胞通过速度；L_cell为细胞拉伸长度；W_sc3为后端侧压缩通道宽度；L_mc3为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道的间距；t₃为细胞在后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道之间穿行的时间；t₄为细胞通过后端侧压缩通道的时间。

在本发明的一些实施例中，步骤S32中细胞膜电容和细胞质电阻的计算方法包括：

步骤S321：对第一细胞的细胞膜电容C_m和细胞质电阻R_cy的计算，包括：

Z_mcell1×α＝(R_sc2+(R_mc1*+Z_cell+R_mc2+R_sc1)∪(R_mc3+R_sc3))∪(1/jωC_p)； (式5)

R_mc1*＝R_mc1×(1-L_cell/L_mc1)； (式6)

Z_cell＝(2×Z_m+R_cy)∪R_leak； (式7)

Z_m＝1/(jωC_m)； (式8)

其中，Z_mcell1为有细胞通过前端主压缩通道的阻抗测量值；α为中间侧压缩通道与前端侧压缩通道之间以及中间侧压缩通道与后端侧压缩通道之间的阻抗并联后的阻抗占电极间总阻抗比例；R_sc2为中间侧压缩通道阻抗；R_mc2为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道之前部分阻抗；R_sc1为前端侧压缩通道的阻抗；R_mc3为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道之间部分的阻抗；R_sc3为后端侧压缩通道的阻抗；C_p为通道寄生电容；L_cell为细胞拉伸长度；L_mc1为前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之后部分的长度；R_leak为考虑到细胞和主压缩通道内壁之间无法完全填充而引入的漏电阻；j为虚数单位；ω为角频率；

在本发明的一些实施例中，求解时需要代入至少两个频率的阻抗测量值进行计算；

在本发明的一些实施例中，步骤S322：对第二细胞的细胞膜电容C_m和细胞质电阻R_cy的计算，包括：

Z_mcell2×α＝(R_sc2+(R_mc1+R_mc2+R_sc1)∪(R_mc3*+Z_cell+R_sc3))∪(1/jωC_p)； (式9)

R_mc3*＝R_mc3×(1-L_cell/L_mc3)； (式10)

Z_cell＝(2×Z_m+R_cy)∪R_leak； (式11)

Z_m＝1/(jωC_m)； (式12)

其中，Z_mcell2为有细胞通过后端主压缩通道的阻抗测量值；α为中间侧压缩通道与前端侧压缩通道之间以及中间侧压缩通道与后端侧压缩通道之间的阻抗并联后的阻抗占电极间总阻抗比例；R_sc2为中间侧压缩通道阻抗；R_mc1为前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之后部分的阻抗；R_mc2为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道之前部分阻抗；R_sc1为前端侧压缩通道的阻抗；R_sc3为后端侧压缩通道的阻抗；C_p为通道寄生电容；R_mc3为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道之间部分的阻抗；L_cell为细胞拉伸长度；L_mc3为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道之间部分的长度；R_leak为考虑到细胞和主压缩通道内壁之间无法完全填充而引入的漏电阻；j为虚数单位；ω为角频率；

在本发明的一些实施例中，求解时需要代入至少两个频率的阻抗测量值进行计算；

在本发明的一些实施例中，步骤S33中细胞膜比电容C_sm、细胞质电导率σ_cy和细胞直径D_cell的计算包括：

步骤S331：对第一细胞的细胞膜比电容C_sm、细胞质电导率σ_cy和细胞直径D_cell的计算，包括：

C_m＝C_sm×S_mc1； (式13)

其中，S_mc1为前端主压缩通道横截面积，C_m为细胞膜电容；

细胞质电导率σ_cy的计算包括：

R_cy＝σ_cy×L_cell/S_mc1； (式14)

其中，L_cell为细胞拉伸长度，S_mc1为前端主压缩通道横截面积，R_cy为细胞质电阻；

细胞直径D_cell的计算包括：

L_cell×S_mc1＝4×π×(D_cell/2)³/3； (式15)

其中，L_cell为细胞拉伸长度，S_mc1为前端主压缩通道横截面积；

步骤S332：对第二细胞的细胞膜比电容C_sm、细胞质电导率σ_cy和细胞直径D_cell的计算，包括：

C_m＝C_sm×S_mc2； (式16)

其中，S_mc2为后端主压缩通道横截面积，C_m为细胞膜电容；

细胞质电导率σ_cy的计算包括：

R_cy＝σ_cy×L_cell/S_mc2； (式17)

其中，L_cell为细胞拉伸长度，S_mc2为后端主压缩通道横截面积，R_cy为细胞质电阻；

细胞直径D_cell的计算包括：

L_cell×S_mc2＝4×π×(D_cell/2)³/3； (式18)

其中，L_cell为细胞拉伸长度，S_mc2为后端主压缩通道横截面积。

在一个示例性实施例中，本发明综合利用MEMS(微机电系统)加工工艺和微流控技术，提供了一种宽尺寸范围的单细胞生物电学参量高通量检测装置及方法，主要包括必需的硬件系统(微流控芯片模块、阻抗测量模块和压力控制模块)，以及利用相应硬件系统高通量得到宽尺寸范围下的单细胞生物电学参量细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的方法。工作时，利用压力控制模块在后端主压缩通道出口方向施加负压，细胞会在压力作用下流经前端主压缩通道、后端主压缩通道，并且依次通过前端侧压缩通道、前后端主压缩通道之间横截面积突变处、中间侧压缩通道、后端侧压缩通道。整个过程中利用阻抗测量模块检测分别记录无细胞通过和有细胞通过时中间侧压缩通道与前端侧压缩通道之间以及中间侧压缩通道与后端侧压缩通道之间的阻抗并联后的阻抗，作为原始数据，结合本发明提供的细胞拉伸长度计算等效模型、细胞膜比电容和细胞质电导率计算等效电学模型以及数据处理算法，即可分别在前端主压缩通道、后端主压缩通道中实现尺寸较大、较小细胞的生物电学参量的计算。与已有方法相比，本发明在保证单细胞生物电学参量高通量检测的同时，突破了压缩通道结构限制，扩展了可有效测量细胞的尺寸范围。

该发明中的主压缩通道和侧压缩通道设计为非垂直位置也可以达到类似效果。

该发明中微流控芯片中的通道横截面为矩形，也可以被替换成圆形或者半圆形等形状，不影响基础功能的实现。

以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。

本实施例主要包括必需的硬件装置和高通量得到宽尺寸范围下的单细胞细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的方法。

(1)本实施例所需硬件装置如附图1所示，主要包括微流控芯片模块100、阻抗测量模块200以及压力控制模块300三部分。

微流控芯片模块100为硬件装置中的核心模块，由绝缘承载体和绝缘衬底键合形成，结构示意图如附图2所示。

微流控芯片的绝缘承载体在细胞60流动方向依次包含细胞流入通道10、前端主压缩通道20、前端侧压缩通道21、后端主压缩通道30、中间侧压缩通道31、后端侧压缩通道32和细胞回收通道40。其中，细胞流入通道作用是使细胞高速流经前端主压缩通道入口，用于后续检测，故其横截面积足够大即可，不必做特殊设计。前端主压缩通道作用是对尺寸较大(直径为10-15μm)的细胞(即第一细胞)进行压缩并使其稳定通过，该过程中要保证细胞既能很好地阻挡阻抗测量时的电场线，亦不会由于过度压缩受到损伤。前端主压缩通道结构特征主要包括横截面积和长度，对于横截面积，设计要求是横截面积略小于细胞直径，考虑到待测细胞中尺寸较大的部分直径为10-15μm，前端主压缩通道横截面积(W_mc1×H)可为10μm×4μm；对于长度，包含位于前端侧压缩通道之前的部分、位于前端侧压缩通道之后的部分。前者需要保证细胞能够匀速通过检测区域，故长度应该足够长，后者则需要保证长度大于所有待测细胞的拉伸长度，且不能因过长导致无细胞通过时阻抗基线过高，而造成阻抗检测困难，考虑到这部分细胞拉伸长度为15-45μm，设计以上前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之前的部分长度L_mc0、前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之后部分的长度L_mc1均为50μm。

前端侧压缩通道作用是与前端主压缩通道横截面积改变位置的结构共同检测尺寸较大的细胞(第一细胞)的细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径，其结构特征同样包含横截面积和长度。对于横截面积，一方面不能过大，否则会引起细胞通过时过多进入其中，使细胞尺寸计算不准确；另一方面不能过小，否则会使无细胞通过时阻抗基线过高，造成阻抗检测困难。综合考虑下，选取横截面积(W_sc1×H)为主压缩通道的大约1/3左右，即3μm×4μm。对于长度，一方面长度过长会使无细胞通过时阻抗基线过高，不利于阻抗检测；另一方面长度过短则会给微细加工带来困难，综合考虑下，前端侧压缩通道长度L_sc1选取10μm。

后端主压缩通道作用是对尺寸较小(6-10μm)的细胞(即第二细胞)进行压缩，作用与前端主压缩通道类似，其结构特征同样包括横截面积和长度。对于横截面积，考虑到待测细胞中尺寸较小的部分直径为6-10μm，该通道横截面积(W_mc2×H)可为4μm×4μm，此时尺寸较大的细胞(第一细胞)在前端已经检测完成，此处直接通过即可，不必考虑是否损坏；对于长度，除前端主压缩通道长度设计考虑的因素外，还需要考虑阻抗测量方面的影响，由于阻抗测量时大细胞(第一细胞)检测区域与小细胞(第二细胞)检测区域的阻抗是并联关系，为保证二者阻抗检测的准确程度相一致，需要将两部分阻抗设计为大致相同大小。侧压缩通道尺寸和前端主压缩通道尺寸已经确定，可对后端主压缩通道长度进行调整，综合考虑下，后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道前端的部分长度L_mc2为50μm，而位于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道之间的部分长度L_mc3为65μm，位于后端侧压缩通道后的部分长度L_mc4为50μm。

中间侧压缩通道和后端侧压缩通道作用是检测尺寸较小细胞的细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径，结构特征同样包括横截面积和长度。与前端侧压缩通道类似，综合考虑下，均选取横截面积(W_sc2×H)和(W_sc3×H)为主压缩通道的1/2左右，即2μm×4μm(若依然取主压缩通道横截面积的1/3，可能造成微细加工困难)；长度L_sc2和L_sc3则选择10μm即可。

微流控芯片模块的绝缘衬底主要包含金属电极50。具体地，可通过该片上电极实现前述绝缘承载体中前端侧压缩通道、中间侧压缩通道和后端侧压缩通道与外部阻抗测量模块的导电连接。

微流控芯片模块加工流程遵循标准软光刻步骤。首先使用光刻工艺制作压缩通道刻蚀掩膜。然后进行深刻蚀，在硅基上形成压缩通道结构。接着，去除刻蚀掩膜后再使用光刻工艺制作SU-8光刻胶形成的细胞流入、回收通道，最终形成包含所有通道的模具。接下来使用模塑工艺将模具翻模形成微流控芯片的PDMS绝缘承载体结构。下一步使用剥离工艺在玻璃基底上制作片上电极，形成绝缘衬底结构。最后将打孔后的PDMS绝缘承载体与玻璃绝缘衬底在氧等离子体处理后对准键合，即可形成完整的微流控芯片。

阻抗测量模块是公知技术，包括锁相放大器和相应连接屏蔽线。根据实施例的需求，至少可精确检测两个频率下幅值为1-10MΩ的阻抗，采样率在100k S/s以上。

压力控制模块是公知技术，包括压力校准仪和导气软管。其中的压力校准仪需能够通过手动控制输出-50kPa～50kPa之间的任意压强，并通过导气软管与前述微流控芯片模块连接。

(2)本实施例高通量得到宽尺寸范围下的单细胞细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的方法如下：

1)操作流程

首先连接微流控芯片模块、阻抗测量模块和压力控制模块。如附图1所示，阻抗测量模块的两个测量端分别通过屏蔽线经由金属夹具连接到微流控芯片模块中前端侧压缩通道和后端侧压缩通道处、中间侧压缩通道处。压力控制模块的压力输出端使用导气软管连接微流控芯片模块的细胞回收通道。

然后使用细胞培养基或者磷酸盐缓冲液注满微流控芯片中的所有通道，目的是防止在微流控芯片模块中的细胞回收通道施加压力时产生气泡，阻碍细胞通过。

接下来在微流控芯片的细胞流入通道加入一定浓度的细胞悬浮液，利用压力控制模块在细胞回收通道处施加负压，驱动细胞流过前端主压缩通道和后端主压缩通道，并且依次经过前端侧压缩通道、中间侧压缩通道和后端侧压缩通道，最终通过细胞回收通道流出。在细胞通过的整个过程中，利用阻抗测量模块持续检测两个频率下(例如100kHz和250kHz)连接中间侧压缩通道上的电极与连接前端侧压缩通道和后端侧压缩通道上的电极之间的阻抗变化，作为原始阻抗数据。当采集到足够数量的细胞阻抗数据后，实验停止。

2)数据处理方法

本实施例数据处理方法主要包括细胞拉伸长度的计算、细胞膜电容和细胞质电阻的计算、细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的计算三部分。

a)第一部分是细胞拉伸长度的计算。

首先针对适当长度的单一频率下阻抗幅值数据进行处理(例如10s、100kHz)，得到无细胞通过时的阻抗幅值基线、有单个细胞通过时的阻抗幅值曲线。然后针对单一细胞通过时的阻抗幅值曲线进行处理，统计阻抗波形中包含的平台个数。具体有四种情况，对应平台个数分别为1个、2个、3个或者多个。

情况一，当平台个数为1时，波形如附图3-(a)所示，此时细胞在前端主压缩通道中的拉伸长度大于前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之后部分的长度L_mc1，细胞在后端主压缩通道中的拉伸长度大于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道的间距L_mc3，这部分波形对应细胞尺寸特别大，不论在前端主压缩通道还是后端主压缩通道中均无法实现细胞拉伸长度的有效计算，进而也无法计算细胞膜比电容和细胞质电导率。

情况二，当平台个数为2时，波形可能有两种，第一种波形如附图3-(b)所示，此时细胞在前端主压缩通道中的拉伸长度小于前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之后部分的长度L_mc1，细胞在后端主压缩通道中的拉伸长度可能小于，也可能大于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道的间距L_mc3。这部分波形对应细胞尺寸为可检测细胞中偏大的部分，在前端主压缩通道中可实现细胞拉伸长度的有效计算。当细胞通过阻抗波形中t₁和t₂时间段时，分别对应压缩通道中的位置如附图3-(g)中I-II和II-III过程。考虑到细胞通过前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之前的部分时，速度已相对稳定，因此可认为细胞通过前端主压缩通道中剩余部分时速度是恒定的，令细胞通过速度为v、细胞拉伸长度为L_cell、前端侧压缩通道宽度为W_sc1，则，在细胞通过过程I-II时有：

L_cell+W_sc1＝v×t₁； (公式1)

在在细胞通过过程II-III时，有：

L_mc1-L_cell＝v×t₂； (公式2)

联立求解(公式1)和(公式2)即可得到这类细胞的拉伸长度L_cell。

第二种波形如附图3-(c)所示。此时细胞在前端主压缩通道中的拉伸长度小于前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之后部分的长度L_mc1，细胞在后端主压缩通道中的拉伸长度也小于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道的间距L_mc3。这部分波形对应尺寸特别小的细胞，在前端主压缩通道和后端主压缩通道中均无法实现有效压缩，也就不能准确计算细胞拉伸长度和后续的细胞膜电容、细胞质电阻。由于漏电阻较小，这类波形平台位置的阻抗幅值变化量偏小，可据此进行筛选，与情况一中的波形区分。

情况三，当平台个数为3时，波形可能有两种，分别如附图3-(d)和3-(e)所示，这两种波形对应的细胞在前端主压缩通道中的拉伸长度小于前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之后部分的长度L_mc1，细胞在后端主压缩通道中的拉伸长度也小于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道的间距L_mc2。这两种波形对应细胞尺寸为可检测细胞中偏小的部分，在后端主压缩通道中可实现细胞拉伸长度的有效计算。当细胞通过阻抗波形中t₃和t₄时间段时，分别对应压缩通道中的位置如附图3-(h)中I-II和II-III过程。考虑到细胞通过后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道之前的部分中时，速度已相对稳定，因此可认为细胞通过后端主压缩通道中剩余部分时速度是恒定的，令细胞通过速度为v、细胞拉伸长度为L_cell、后端侧压缩通道宽度为W_sc3，则，在细胞通过过程I-II时有：

L_mc3-L_cell＝v×t₃； (公式3)

在在细胞通过过程II-III时，有：

L_cell+W_sc3＝v×t₄； (公式4)

联立求解(公式3)和(公式4)即可得到这类细胞的拉伸长度L_cell。

情况四，当平台个数大于3时，波形可能如附图3-(f)所示，这种波形无法判断前端主压缩通道或者后端主压缩通道中细胞拉伸长度是否可满足要求，因此也无法保证细胞拉伸长度求解的有效性。这种波形可以通过波形中包含平台个数进行筛选删除。

以上四种情况中，情况二的第一种波形(大细胞)和情况三的两种波形(小细胞)均可实现细胞拉伸长度的有效检测，并可用于后续细胞膜电容和细胞质电阻计算；情况一、情况二的第二种波形还有情况四，均无法实现细胞拉伸长度的有效测量，但可用波形特征进行筛选删除。

b)第二部分是细胞膜电容和细胞质电阻的计算。

第一部分计算出细胞拉伸长度后，利用以下方法可实现对相应细胞的细胞膜电容和细胞质电阻的计算。首先需要对该细胞通过时的双频阻抗曲线进行处理，以单一频率下阻抗曲线为例，分别取阻抗幅值曲线的基线Amp_nocell、阻抗相位曲线的基线Pha_nocell，进而得到无细胞通过时的阻抗测量值Z_mnocell(其中Z_mnocell＝Amp_nocell×(cosPha_nocell+j×sinPha_nocell))；对于a)中情况二的第一种波形，分别取阻抗曲线第一段平台期的幅值Amp_cell1和相位Pha_cell1，计算得到第一细胞通过时阻抗测量值Z_mcell1(其中，Z_mcell1＝Amp_cell1×(cosPha_cell1+j×sinPha_cell1))；对于a)中情况三的两种波形，分别取阻抗曲线第三段平台期的幅值Amp_cell2和相位Pha_cell2，计算得到第二细胞通过时阻抗测量值Z_mcell2(其中，Z_mcell2＝Amp_cell2×(cosPha_cell2+j×sinPha_cell2))；

当无细胞通过前端主压缩通道和后端主压缩通道时，压缩通道等效电学模型如附图4-(a)所示，前端、中间、后端侧压缩通道阻抗分别为R_sc1、R_sc2、R_sc3，前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之后部分的阻抗为R_mc1(对应长度为L_mc1，宽度为W_mc1)，后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道之前部分阻抗为R_mc2(对应长度为L_mc2，宽度为W_mc2)，后端主压缩通道中位于中间和后端侧压缩通道之间部分阻抗为R_mc3(对应长度为L_mc3，宽度为W_mc2)，通道寄生电容为C_p。通过数值仿真可得到中间侧压缩通道与前端侧压缩通道之间以及中间侧压缩通道与后端侧压缩通道之间的阻抗并联后的阻抗占电极间总阻抗比例为α。此时，阻抗测量值为Z_mnocell，则：

Z_mnocell×α＝Z_channel∪(1/jωC_p)； (公式5)

利用单频阻抗幅值和相位数据求解，可求得C_p和Z_chnnel，其中：

Z_channel＝R_sc2+(R_mc1+R_mc2+R_sc1)∪(R_mc3+R_sc3)； (公式6)

接着通过数值仿真可得到相关比例系数：β、γ、δ、ε，具体关系式如下：

R_mc1+R_mc2+R_sc1＝(R_mc3+R_sc3)×β； (公式7)

R_mc1+R_mc2+R_sc1＝R_sc2×γ； (公式8)

R_mc1＝(R_mc1+R_mc2+R_sc1)×δ； (公式9)

R_mc3＝(R_mc3+R_sc3)×ε； (公式10)

将公式7-10代入公式6，可求的R_sc2、R_mc1、R_mc2+R_sc1、R_mc3+R_sc3、R_mc3的阻抗值。

接下来针对尺寸不同的细胞分类进行计算。

对于尺寸较大的细胞(第一细胞)，阻抗曲线为a)中情况二的第一种波形，细胞膜电容和细胞质电阻的计算位置位于前端主压缩通道中，等效电学模型如附图4-(b)所示。这种情况下，第一细胞通过前端主压缩通道时单频阻抗测量值为Z_mcell1，结合前述求得细胞拉伸长度为L_cell，则有：

Z_mcell1×α＝(R_sc2+(R_mc1*+Z_cell+R_mc2+R_sc1)∪(R_mc3+R_sc3))∪(1/jωC_p)； (公式11)

其中，前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之后部分的长度为L_mc1，则：

R_mc1*＝R_mc1×(1-L_cell/L_mc1)； (公式12)

将公式12和前述求得的R_sc2、R_mc1、R_mc2+R_sc1、R_mc3+R_sc3代入公式11，即可求得细胞与漏电阻并联的阻抗Z_cell，而：

Z_cell＝(2×Z_m+R_cy)∪R_leak； (公式13)

其中：

Z_m＝1/(jωC_m)； (公式14)

将公式14代入公式13，并且使用双频阻抗测量数据对公式13以误差最小为原则进行拟合，即可求得细胞膜电容C_m和细胞质电阻R_cy。其中j为虚数单位，ω为相应角频率，R_leak为用于表征细胞无法完全填充主压缩通道而引入的漏电阻。

对于尺寸较小的细胞，阻抗曲线为情况三的两种波形，细胞膜电容和细胞质电阻的计算位置位于后端主压缩通道中，等效电学模型如附图4-(c)所示。这种情况下，第二细胞通过后端主压缩通道时单频阻抗测量值为Z_mcell2，结合前述求得细胞拉伸长度为L_cell，则有：

Z_mcell2×α＝(R_sc2+(R_mc1+R_mc2+R_sc1)∪(R_mc3*+Z_cell+R_sc3))∪(1/jωC_p)； (公式15)

其中，后端主压缩通道中位于中间和后端侧压缩通道之间部分长度为L_mc3，则：

R_mc3*＝R_mc3×(1-L_cell/L_mc3) (公式16)

将公式16和前述求得的R_sc2、R_mc1+R_mc2+R_sc1、R_sc3代入公式15，即可求得细胞与漏电阻并联的阻抗Z_cell，而：

Z_cell＝(2×Z_m+R_cy)∪R_leak； (公式17)

其中：

Z_m＝1/(jωC_m)； (公式18)

将公式18代入公式17，并且使用双频阻抗测量数据对公式17以误差最小为原则进行拟合，即可求得细胞膜电容C_m和细胞质电阻R_cy。

c)第三部分是细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的计算。

对于尺寸较大的细胞，阻抗曲线为情况二的第一种波形，前述第一部分a)求得的细胞拉伸长度、第二部分b)求得的细胞膜电容和细胞质电阻均位于前端主压缩通道中。此时，细胞膜电容等效面积为前端主压缩通道横截面积S_mc1；细胞质电阻等效长度为细胞拉伸长度L_cell、等效面积为前端主压缩通道横截面积S_mc1，故：

C_m＝C_sm×S_mc1； (公式19)

R_cy＝σ_cy×L_cell/S_mc1； (公式20)

求解公式19和公式20，即可得到细胞膜比电容C_sm和细胞质电导率σ_cy。此外，假设细胞在前端主压缩通道中压缩后形状为长方体，依据体积不变原理，有如下公式：

L_cell×S_mc1＝4×π×(D_cell/2)³/3； (公式21)

求解公式21，即可得到细胞直径D_cellc至此，可求得尺寸较大细胞(第一细胞)的细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径。

对于尺寸较小的细胞，阻抗曲线为情况三的两种波形，前述第一部分a)求得的细胞拉伸长度、第二部分b)求得的细胞膜电容和细胞质电阻均位于后端主压缩通道中。此时，细胞膜电容等效面积为后端主压缩通道横截面积S_mc2；细胞质电阻等效长度为细胞拉伸长度L_cell、等效面积为后端主压缩通道横截面积S_mc2，故：

C_m＝C_sm×S_mc2； (公式22)

R_cy＝σ_cy×L_cell/S_mc2； (公式23)

求解公式22和公式23，即可得到细胞膜比电容C_sm和细胞质电导率σ_cy。此外，假设细胞在后端主压缩通道中压缩后形状为长方体，依据体积不变原理，有如下公式：

L_cell×S_mc2＝4×π×(D_cell/2)³/3； (公式24)

求解公式21，即可得到细胞直径D_cell。至此，可求得尺寸较小细胞(第二细胞)的细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径。

基于以上装置和方法，突破了压缩通道结构的限制，在保证细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径高通量检测的同时，既可处理尺寸相对较大的细胞(第一细胞，检测位置在前端主压缩通道中)，又可处理尺寸相对较小的细胞(第二细胞，检测位置在后端压缩通道中)，扩展了待测细胞的尺寸范围。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明中宽尺寸范围的单细胞生物电学参量高通量检测装置及方法有了清楚的认识。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微流控芯片，包括绝缘承载体和绝缘衬底，其中，绝缘承载体包括：

细胞流入通道，用于细胞注入；

前端主压缩通道，用于对第一细胞压缩；

前端侧压缩通道，其设置在前端主压缩通道上，用于检测第一细胞的生物电学参量；

后端主压缩通道，用于对第二细胞压缩；

中间侧压缩通道，其设置在后端主压缩通道上，用于检测第二细胞的生物电学参量；

后端侧压缩通道，其设置在后端主压缩通道上，用于检测第二细胞的生物电学参量；以及

细胞回收通道，用于回收细胞；

其中，所述绝缘衬底包括金属电极，所述前端侧压缩通道、中间侧压缩通道和后端侧压缩通道均与金属电极连接；

其中，所述第一细胞的直径均值为10至15μm；

所述第二细胞的直径均值为6至10μm；

其中，所述前端主压缩通道的横截面积W_mc1×H为10μm×4μm至14μm×10μm；

所述后端主压缩通道的横截面积W_mc2×H为4μm×4μm至10μm×10μm。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，

所述生物电学参量包括细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径。

3.根据权利要求1所述的微流控芯片，其特征在于，

所述微流控芯片的各通道的长度、宽度或高度均是根据细胞直径确定的。

4.根据权利要求3所述的微流控芯片，其特征在于，

其中，所述前端侧压缩通道的横截面积W_sc1×H为3μm×4μm至7μm×10μm；

其中，所述后端侧压缩通道的横截面积W_sc3×H为2μm×4μm至5μm×10μm；

其中，所述中间侧压缩通道的横截面积W_sc2×H为2μm×4μm至5μm×10μm；

其中，所述前端侧压缩通道与前端主压缩通道末端之间的距离L_mc1为40至60μm；

其中，所述后端主压缩通起始端与中间侧压缩通道起始端之间的距离L_mc2至少为50μm；

其中，所述中间侧压缩通道起始端与后端侧压缩通起始端之间的距离L_mc3为40至60μm；

其中，所述后端侧压缩通起始端与细胞回收通道起始端之间的距离L_mc4至少为50μm。

5.一种基于压缩通道的单细胞生物电参量检测装置，包括：

如权利要求1至4任一项所述的微流控芯片；

阻抗测量模块，用于检测中间侧压缩通道上电极与前端侧压缩通道和后端侧压缩通道上电极之间的阻抗；以及

压力控制模块，用于驱动细胞流过前端主压缩通道和后端主压缩通道，并且依次经过前端侧压缩通道、中间侧压缩通道和后端侧压缩通道，最终通过细胞回收通道流出。

6.一种单细胞生物电学参量的检测方法，采用如权利要求5所述的单细胞生物电参量检测装置，包括：

S1、注入细胞悬浮液，驱动细胞在微流控芯片的通道内流动；

S2、分别记录无细胞通过和有细胞通过时连接中间侧压缩通道上的电极与连接前端侧压缩通道和后端侧压缩通道上的电极之间的阻抗，作为原始数据；

S3、对原始数据进行处理，计算细胞生物电学参量。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征在于，

步骤S3中所述计算细胞生物电学参量包括：

步骤S31：细胞拉伸长度的计算；

步骤S32：细胞膜电容和细胞质电阻的计算；以及

步骤S33：细胞膜比电容、细胞质电导率和细胞直径的计算。

8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，

步骤S31中细胞拉伸长度的计算方法包括：

针对单一频率下阻抗幅值数据进行处理，得到无细胞通过时的阻抗幅值基线和有细胞通过时的阻抗幅值变化曲线；

然后针对单一细胞通过时的阻抗幅值数据进行处理，统计阻抗波形中包含的平台个数；

根据平台个数计算细胞拉伸长度，完成细胞拉伸长度的计算；

其中，当平台个数为2时，细胞拉伸长度的计算公式包括：

L_cell+W_sc1＝v×t₁； (式1)

L_mc1-L_cell＝v×t₂； (式2)

其中，v为细胞通过速度；L_cell为细胞拉伸长度；W_sc1为前端侧压缩通道宽度；L_mc1为前端侧压缩通道到前端主压缩通道末端之间的距离；t₁为细胞经过前端侧压缩通道的时间；t₂为细胞在前端主压缩通道中前端侧压缩通道到前端主压缩通道末端之间穿行的时间；

其中，当平台个数为3时，细胞拉伸长度的计算公式包括：

L_mc3-L_cell＝v×t₃； (式3)

L_cell+W_sc3＝v×t₄； (式4)

其中，v为细胞通过速度；L_cell为细胞拉伸长度；W_sc3为后端侧压缩通道宽度；L_mc3为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道的间距；t₃为细胞在后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道之间穿行的时间；t₄为细胞通过后端侧压缩通道的时间。

9.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，

步骤S32中细胞膜电容和细胞质电阻的计算方法包括：

步骤S321：对第一细胞的细胞膜电容C_m和细胞质电阻R_cy的计算，包括：

Z_mcell1×α＝(R_sc2+(R_mc1*+Z_cell+R_mc2+R_sc1)∪(R_mc3+R_sc3))∪(1/jωC_p)； (式5)

R_mc1*＝R_mc1×(1-L_cell/L_mc1)； (式6)

Z_cell＝(2×Z_m+R_cy)∪R_leak； (式7)

Z_m＝1/(jωC_m)； (式8)

其中，Z_mcell1为有细胞通过前端主压缩通道的阻抗测量值；α为中间侧压缩通道与前端侧压缩通道之间以及中间侧压缩通道与后端侧压缩通道之间的阻抗并联后的阻抗占电极间总阻抗比例；R_sc2为中间侧压缩通道阻抗；R_mc2为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道之前部分阻抗；R_sc1为前端侧压缩通道的阻抗；R_mc3为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道之间部分的阻抗；R_sc3为后端侧压缩通道的阻抗；C_p为通道寄生电容；L_cell为细胞拉伸长度；L_mc1为前端侧压缩通道到前端主压缩通道末端之间的距离；R_leak为考虑到细胞和主压缩通道内壁之间无法完全填充而引入的漏电阻；j为虚数单位；ω为角频率；

其中，求解时需要代入至少两个频率的阻抗测量值进行计算；

步骤S322：对第二细胞的细胞膜电容C_m和细胞质电阻R_cy的计算，包括：

Z_mcell2×α＝(R_sc2+(R_mc1+R_mc2+R_sc1)∪(R_mc3*+Z_cell+R_sc3))∪(1/jωC_p)； (式9)

R_mc3*＝R_mc3×(1-L_cell/L_mc3)； (式10)

Z_cell＝(2×Z_m+R_cy)∪R_leak； (式11)

Z_m＝1/(jωC_m)； (式12)

其中，Z_mcell2为有细胞通过后端主压缩通道的阻抗测量值；α为中间侧压缩通道与前端侧压缩通道之间以及中间侧压缩通道与后端侧压缩通道之间的阻抗并联后的阻抗占电极间总阻抗比例；R_sc2为中间侧压缩通道阻抗；R_mc1为前端主压缩通道中位于前端侧压缩通道之后部分的阻抗；R_mc2为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道之前部分阻抗；R_sc1为前端侧压缩通道的阻抗；R_sc3为后端侧压缩通道的阻抗；C_p为通道寄生电容；R_mc3为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道之间部分的阻抗；L_cell为细胞拉伸长度；L_mc3为后端主压缩通道中位于中间侧压缩通道和后端侧压缩通道之间部分的长度；R_leak为考虑到细胞和主压缩通道内壁之间无法完全填充而引入的漏电阻；j为虚数单位；ω为角频率；

其中，求解时需要代入至少两个频率的阻抗测量值进行计算。

10.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，

步骤S33中细胞膜比电容C_sm、细胞质电导率σ_cy和细胞直径D_cell的计算包括：

步骤S331：对第一细胞的细胞膜比电容C_sm、细胞质电导率σ_cy和细胞直径D_cell的计算，包括：

C_m＝C_sm×S_mc1； (式13)

其中，S_mc1为前端主压缩通道横截面积，C_m为细胞膜电容；

细胞质电导率σ_cy的计算包括：

R_cy＝σ_cy×L_cell/S_mc1； (式14)

其中，L_cell为细胞拉伸长度，S_mc1为前端主压缩通道横截面积，R_cy为细胞质电阻；

细胞直径D_cell的计算包括：

L_cell×S_mc1＝4×π×(D_cell/2)³/3； (式15)

其中，L_cell为细胞拉伸长度，S_mc1为前端主压缩通道横截面积；

步骤S332：对第二细胞的细胞膜比电容C_sm、细胞质电导率σ_cy和细胞直径D_cell的计算，包括：

C_m＝C_sm×S_mc2； (式16)

其中，S_mc2为后端主压缩通道横截面积，C_m为细胞膜电容；

细胞质电导率σ_cy的计算包括：

R_cy＝σ_cy×L_cell/S_mc2； (式17)

其中，L_cell为细胞拉伸长度，S_mc2为后端主压缩通道横截面积，R_cy为细胞质电阻；

细胞直径D_cell的计算包括：

L_cell×S_mc2＝4×π×(D_cell/2)³/3； (式18)

其中，L_cell为细胞拉伸长度，S_mc2为后端主压缩通道横截面积。

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