CN113029917A - 一种细胞及细胞核生物电学特性检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种细胞及细胞核生物电学特性检测装置，包括：微流控芯片，包括狭窄交叉通道，其由相互垂直的主通道和副通道构成，主通道的横截面尺寸小于细胞核的横截面尺寸，以使流经的细胞内的细胞核发生压缩，副通道用于进行阻抗检测；压力控制模块，用于施压使细胞通过狭窄交叉通道；阻抗测量模块，用于测量副通道两端的双频阻抗幅值和相位，据此计算得到细胞及细胞核的生物电学特性数据。本发明提供的检测装置将细胞核电学特性从细胞特性中脱离出来，实现了高通量、准确地表征细胞及细胞核生物电学特性。
Description
技术领域
本发明涉及细胞检测技术领域，具体涉及一种细胞及细胞核生物电学特性检测装置及方法。
背景技术
细胞生物电学特性对于诊断血液和肿瘤疾病等具有重要意义。进一步来说，细胞核作为细胞内最大、最重要的细胞结构，在细胞的代谢、生长和分化中起着决定性的作用，其生物电学特性几乎具有同等重要地位。
常规检测细胞核生物电学特性的方法主要包括膜片钳技术、介电谱方法和电致旋转方法等。膜片钳技术工作原理是使用一个细胞外置Ag/AgCl电极和两个锥形玻璃微管电极测量细胞核膜比电容和电阻。核膜电阻测量时，两个微管电极均置于细胞核内，一个电极用来传递电流，引起核膜电势的变化，而另一个电极就用来记录这个电势的变化；核膜比电容测量时，在细胞外置Ag/AgCl电极的辅助下，通过移动其中一个微管电极进入细胞膜、进入细胞核膜、穿透细胞核膜以及穿透细胞膜来记录电势上升、下降时间常数。该方法的缺陷在于检测通量低、更多地适用于测量较大尺寸的细胞核。介电谱方法工作原理是将包含一个圆柱形孔洞的样品腔视为平行板电容，同时Pt电极固定在其两侧，利用比例臂电桥测量得到不同频率下的介电常数和电导率。该方法具有操作简便的优势，但缺陷在于测量是基于群体细胞层面的，无法获取单细胞核生物电学特性。电致旋转方法工作原理是在两对互相垂直的电极上分别施加幅值和频率相同，相位相差90°的交流电压信号。将细胞加到电极之间，在旋转力矩与流体力矩的作用下，细胞可实现匀速旋转并且保持平衡。通过改变电极施加的交流电压信号的频率，利用倒置显微镜及高速照相机可获得细胞旋转速度随频率的变化关系(即ROT频谱)。该方法的缺陷是操纵、定位细胞时间较长导致检测通量低。
基于微流控检测细胞核生物电学特性的方法大致包括基于微沟道的介电泳方法、基于捕获通道的方法及基于一字型压缩通道的方法。基于微沟道的介电泳方法工作原理是在微流体通道底部嵌入了驱动电极和传感电极。当细胞通过时受到驱动电极产生的介电泳力并诱导产生相应的高度位移，同时存在于驱动电极两侧的传感电极用来测量介电泳力驱动前后细胞高度位移变化引起的电信号变化。该方法缺陷在于缺乏有效模型支撑导致数据不可靠。基于捕获通道的方法工作原理是当细胞被捕获在捕获通道区域，应用差分电极对进行阻抗谱的检测，最终得到细胞核电学特性。该方法的缺陷是细胞核电学特性无法从细胞特性中脱离出来。基于一字型压缩通道的方法工作原理是将常规化学方法提取的核膜电学特性完整的细胞核捕获在压缩通道入口处，应用两端的电极进行频率扫描得到阻抗谱，拟合得到细胞核电学特性。该方法的困难在于提取的有效细胞核数量很少，限制了检测通量。
因此发展一种新型的装置及方法，高通量、准确地检测细胞及细胞核生物电学特性是非常有意义的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本发明提供了一种细胞及细胞核生物电学特性检测装置及方法，用于至少部分解决传统方法检测通量低、检测结果不准确等技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供了一种细胞及细胞核生物电学特性检测装置，包括：微流控芯片，包括狭窄交叉通道，其由相互垂直的主通道和副通道构成，主通道的横截面尺寸小于细胞核的横截面尺寸，以使流经的细胞内的细胞核发生压缩，副通道用于进行阻抗检测；压力控制模块，用于施压使细胞通过狭窄交叉通道；阻抗测量模块，用于测量副通道两端的双频阻抗幅值和相位，据此计算得到细胞及细胞核的生物电学特性数据。
进一步地，微流控芯片还包括：细胞溶液注入通道和细胞溶液回收通道，其分别与主通道的两端连接，用于使细胞正常流动；细胞溶液注入通道、细胞溶液回收通道中的一个还与压力控制模块连接。
进一步地，微流控芯片还包括：绝缘衬底，其上设有金属电极，用于与阻抗测量模块连接；其材料包括硅片、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷。
进一步地，主通道的横截面尺寸范围为7μm～12μm，副通道的横截面尺寸范围为2μm～3μm。
进一步地，细胞溶液注入通道、细胞溶液回收通道的横截面高度范围为30～40μm。
本发明另一方面提供了一种细胞及细胞核生物电学特性检测装置的制备方法，包括：S11，在溅射铬的玻璃片上通过涂胶，曝光，显影，制备所需的微流控通道阳模；S12，将预聚体和固化剂浇筑在微流控通道阳模上，固化、脱模得到含有微流控通道的PDMS；S13，在含有微流控通道的PDMS的相应位置打孔，并与含有片上电极的玻璃基底键合，得到微流控芯片；S14，将微流控芯片与阻抗测量模块、压力控制模块连接，得到细胞及细胞核生物电学特性检测装置。
本发明还有一方面提供了一种根据前述细胞及细胞核生物电学特性检测装置检测得到生物电学特性数据的方法，包括：S21，在微流控芯片的狭窄交叉通道中加入细胞悬浮液，通过压力控制模块施加负压，驱动细胞通过狭窄交叉通道；S22，通过阻抗测量模块检测电极间的阻抗数据；S23，通过下式计算细胞及细胞核拉伸长度：
其中，t1为细胞逐渐至完全阻挡电场线和保持完全阻挡电场线的时间，t2为细胞和细胞核逐渐至完全阻挡电场线的时间，t3为细胞和细胞核保持完全阻挡电场线的时间，t4为细胞及细胞核阻挡电场线逐渐减少的时间，t5为细胞阻挡电场线逐渐减少的时间；Wm为主通道的宽度，Ws为副通道的宽度，Lc为细胞拉伸长度，Ln为细胞核拉伸长度；S24，根据阻抗数据和细胞及细胞核拉伸长度数据计算得到生物电学特性数据，其包括细胞核质比N∶C、细胞膜比电容、细胞质电导率、核膜比电容、核膜电阻和核质电导率。
进一步地，S24中计算得到细胞核质比N∶C的公式如下：
其中，
进一步地，S24中计算得到细胞膜比电容Csm、细胞质电导率σcp的公式如下：
其中，Cm为细胞膜电容，Rcp为细胞质电阻，其通过两个频率下的阻抗幅值相位数据求得。
进一步地，S24中计算得到核膜比电容Csne、核膜电阻Rsne和核质电导率σnp的公式如下：
其中，Cne为核膜电容、Rne为核膜电阻，Rnp为核质电阻，其通过两个频率下的阻抗幅值相位数据求得。
(三)有益效果
本发明实施例提供的一种细胞及细胞核生物电学特性检测装置及方法，利用压力控制模块施加负压，吸取细胞通过狭窄交叉通道，在交叉通道中副通道的两端利用阻抗测量模块检测有无细胞穿行时的双频阻抗幅值和相位，利用任一频率下阻抗幅值数据，可得到细胞及细胞核的拉伸长度，进而得到核质比；利用双频阻抗幅值及相位数据，以及前述得到的细胞及细胞核拉伸长度信息，即可得到细胞膜比电容、细胞质电导率、核膜比电容、核膜电阻和核质电导率。与已有方法相比，本发明采用有效的电学模型，将细胞核电学特性从细胞特性中脱离出来，实现高通量、准确地表征细胞及细胞核生物电学特性。
附图说明
图1示意性示出了根据本发明实施例细胞及细胞核生物电学特性检测装置的结构示意图；
图2示意性示出了根据本发明实施例细胞及细胞核生物电学特性检测装置中微流控芯片模块的结构示意图；
图3示意性示出了根据本发明实施例细胞及细胞核生物电学特性检测装置中微流控芯片模块的加工流程图；
图4示意性示出了根据本发明实施例细胞及细胞核生物电学特性检测方法中细胞及细胞核拉伸长度计算原理示意图；
图5示意性示出了根据本发明实施例细胞及细胞核生物电学特性检测方法中细胞及细胞核电学特性检测等效电学模型。
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，对本发明进一步详细说明。
本发明的实施例提供一种细胞及细胞核生物电学特性检测装置，请参见图1，包括：微流控芯片，包括狭窄交叉通道，其由相互垂直的主通道和副通道构成，主通道的横截面尺寸小于细胞核的横截面尺寸，以使流经的细胞内的细胞核发生压缩，副通道用于进行阻抗检测；压力控制模块，用于施压使细胞通过狭窄交叉通道；阻抗测量模块，用于测量副通道两端的双频阻抗幅值和相位，据此计算得到细胞及细胞核的生物电学特性数据。
微流控芯片模块为硬件装置中的核心模块，由绝缘承载体和绝缘衬底通过键合操作形成，结构示意图如附图2所示。狭窄交叉通道包括主通道和副通道：主通道结构特征是横截面小于细胞核横截面以便使流经的细胞内细胞核发生压缩，副通道两端与阻抗测量模块导电连接。微流控芯片模块的绝缘衬底主要包含金属电极。其中副通道分别与片上电极重叠面积不能过小，以防止串联于检测系统中的双电层电容容抗过大影响测量有效性。后续绝缘衬底与绝缘承载体键合即可得到微流控芯片。阻抗测量模块包括锁相放大器和数据采集卡，根据实施例需要，可以精确检测阻抗变化的有无，输出频率为100000个采样点/秒，并与前述微流控芯片模块连接的接口为金属钳或其他金属夹具。压力控制模块包括压力控制器和导气软管，其中压力控制器可以输出-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。
本实施例实验操作中首先连接微流控芯片模块、阻抗测量模块和压力控制模块。连接方法是阻抗测量模块的两端分别与狭窄交叉通道中副通道两端对应的片上电极连接；压力控制模块的压力输出端连接到微流控芯片模块的细胞溶液回收通道。然后使用磷酸盐缓冲液PBS注满微流控芯片中的所有沟道，目的是防止通过微流控芯片的细胞溶液回收通道施加压力时在通道中产生气泡，影响细胞的流动。接下来，在微流控芯片的细胞溶液注入通道加入一定浓度的细胞悬浮液，利用压力控制模块施加负压，驱动细胞通过狭窄交叉通道，同时利用阻抗测量模块检测电极间有无细胞穿行时的阻抗数据，作为实验的原始数据。
需要说明的是，本发明中所演示的微流控芯片结构是这种方法的基础单元，可以方便地进行细胞穿行方向上的并联和串联排布，甚至某些结构的合并，会带来不同的效果。微流控芯片中的通道横截面可以为矩形，也可以是圆形或者半圆形等形状，不影响基础功能的实现。另外，该发明中使用盖板加基板封接的形式形成通道，也可以在玻璃等材料内部刻蚀实现，同样可以实现需要的功能。
在上述实施例的基础上，微流控芯片还包括：细胞溶液注入通道和细胞溶液回收通道，其分别与主通道的两端连接，用于使细胞正常流动；细胞溶液注入通道、细胞溶液回收通道中的一个还与压力控制模块连接。
微流控芯片模块的绝缘承载体依次包含细胞溶液注入通道、狭窄交叉通道以及细胞溶液回收通道。细胞溶液注入通道结构特征是横截面远大于细胞直径以保证细胞的正常流动，该通道横截面高度在30～40μm左右(大部分细胞的直径在15μm～20μm左右)。细胞溶液回收通道结构特征与细胞溶液注入通道结构特征相同。压力控制器通过导气软管与微流控芯片模块连接，可以在细胞溶液注入通道端施加正压，还可以在细胞溶液回收通道施加负压。
在上述实施例的基础上，微流控芯片还包括：绝缘衬底，其上设有金属电极，用于与阻抗测量模块连接；其材料包括硅片、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷。
狭窄交叉通道中的副通道与金属电极连接，用于检测阻抗幅值数据；其中副沟道分别与片上电极重叠面积不能过小，以防止串联于检测系统中的双电层电容容抗过大影响测量有效性。衬底的材料为常见衬底材料，这里并不限定于以上三种材料，其他衬底材料均可用作本发明的衬底。
在上述实施例的基础上，主通道的横截面尺寸范围为7μm～12μm，副通道的横截面尺寸范围为2μm～3μm。
细胞核的直径在10μm～15μm，主通道的横截面宽度在该范围内以便使流经的细胞内细胞核发生压缩；副通道结构特征是横截面积一般为主通道横截面积的1/3左右，以便细胞穿行过程中不会进入副通道的同时，保证不会导致阻抗基线过高影响阻抗检测，一般截面积宽度在2～3μm左右，高度与主通道相同。
在上述实施例的基础上，细胞溶液注入通道和细胞溶液回收通道的横截面高度范围为30～40μm。
细胞溶液注入通道结构特征是横截面远大于细胞直径以保证细胞的正常流动，该通道横截面高度在30～40μm左右(大部分细胞的直径在15μm～20μm左右)。细胞溶液回收通道结构特征与细胞溶液注入通道结构特征相同。
本发明的另一实施例提供一种细胞及细胞核生物电学特性检测装置的制备方法，包括：S11，在溅射铬的玻璃片上通过涂胶，曝光，显影，制备所需的微流控通道阳模；S12，将预聚体和固化剂浇筑在微流控通道阳模上，固化、脱模得到含有微流控通道的PDMS；S13，在含有微流控通道的PDMS的相应位置打孔，并与含有片上电极的玻璃基底键合，得到微流控芯片；S14，将微流控芯片与阻抗测量模块、压力控制模块连接，得到细胞及细胞核生物电学特性检测装置。
微流控芯片模块加工流程如附图3所示。具体来说，首先在溅射铬(Cr)的玻璃片上旋涂AZ 1500光刻胶，前烘、曝光、显影、坚膜后形成铬标记的掩膜，然后利用铬腐蚀液去除标记外的铬，再去除剩余掩膜的光刻胶，最终在玻璃片上形成铬标记，如附图3-c所示。接下来在上述铬玻璃片上旋涂一层SU 8-2，前烘、泛曝光、后烘坚膜后形成种子层，如附图3-d所示。下一步在种子层上旋涂一层SU 8-5，前烘、曝光、后烘，无显影，如附图3-e所示；然后再此基础上旋涂一层SU 8-25，前烘、曝光、后烘、显影、坚膜，形成所需的微流控通道阳模，如附图3-g所示，即S11。接下来将聚二甲基硅氧烷聚合物的预聚体和固化剂按比例混合、真空脱气后的混合物浇筑在制作好的模具上，如附图3-h所示，固化后脱模即可得到含有微流控通道的PDMS，即S12。接下来在玻璃片上旋涂AZ 1500，前烘、曝光、显影去除电极位置的光刻胶，并溅射金属电极铬/金(Cr/Au)，如附图3-j，之后进行剥离操作，获得片上电极，如附图3-k。最后将得到的微流控通道相应位置打孔，并与含有片上电极的玻璃基底键合，即可得到完整的微流控芯片，如附图3-1所示，即S13。将微流控芯片与阻抗测量模块、压力控制模块连接，得到细胞及细胞核生物电学特性检测装置，即S14。
需要说明的是，本发明中承载体的材料为PDMS，除了PDMS之外，还可以采用玻璃、SU-8、硅片等材料来形成上述承载体。
本发明的还有一实施例提供一种根据前述细胞及细胞核生物电学特性检测装置检测得到生物电学特性数据的方法，包括：S21，在微流控芯片的狭窄交叉通道中加入细胞悬浮液，通过压力控制模块施加负压，驱动细胞通过狭窄交叉通道；S22，通过阻抗测量模块检测电极间的阻抗数据；S23，通过下式计算细胞及细胞核拉伸长度：
其中，t1为细胞逐渐至完全阻挡电场线和保持完全阻挡电场线的时间，t2为细胞和细胞核逐渐至完全阻挡电场线的时间，t3为细胞和细胞核保持完全阻挡电场线的时间，t4为细胞及细胞核阻挡电场线逐渐减少的时间，t5为细胞阻挡电场线逐渐减少的时间；Wm为主通道的宽度，Ws为副通道的宽度，Lc为细胞拉伸长度，Ln为细胞核拉伸长度；S24，根据阻抗数据和细胞及细胞核拉伸长度数据计算得到生物电学特性数据，其包括细胞核质比N∶C、细胞膜比电容、细胞质电导率、核膜比电容、核膜电阻和核质电导率。
考虑狭窄交叉通道之间有细胞通过时的任一频率阻抗幅值或相位变化，即可得到细胞及细胞核拉伸长度。以单一频率下阻抗幅值变化为例，细胞及细胞核拉伸长度计算原理如附图4所示，其中Wm为狭窄交叉通道中主通道的宽度(高度值等于宽度值)，Ws为狭窄交叉通道中副通道的宽度，Lc为细胞拉伸长度，Ln为细胞核拉伸长度。在此过程中，由于细胞压缩程度较大可等效为长方体结构，而细胞核压缩有限等效为两端为半球的棒形结构，其中半球的直径为主通道的宽度值。当细胞穿行至如附图4-I-a之前，细胞不阻挡副通道间电场线，阻抗幅值不变；当细胞在如附图4-I-a和4-I-b所示位置之间穿行时，细胞逐渐至完全阻挡电场线，阻抗幅值上升；当细胞在如附图4-I-b和4-I-c所示位置之间穿行时，细胞保持完全阻挡电场线，阻抗幅值保持水平；当细胞在如附图4-I-c和4-I-d所示位置之间穿行时，细胞和细胞核逐渐至完全阻挡电场线，阻抗幅值继续上升；当细胞在如附图4-I-d和4-I-e所示位置之间穿行时，细胞和细胞核保持完全阻挡电场线，阻抗幅值继续保持水平；当细胞在如附图4-I-e和4-I-h所示位置之间穿行时，与细胞在如附图4-I-a和4-I-d所示位置之间穿行时情况相反，细胞及细胞核阻挡电场线逐渐减少、细胞保持完全阻挡电场线、细胞阻挡电场线逐渐减少，所以阻抗幅值趋势是下降、保持水平、再下降。根据以上分析，当细胞依次通过附图4-I-a～h位置时，阻抗幅值会呈现附图4-II所示曲线，并一一对应形成细胞穿行时间t1、t2、t3、t4和t5。
在t2时间段，细胞运动位移为主通道宽度的一半与副通道宽度之和：Wm/2+Ws，在t3时间段，细胞运动位移为细胞核拉伸长度与主通道及副通道宽度之差：Ln-Wm-Ws，在t4时间段，细胞运动位移同理于t2时间段，为Wm/2+Ws，在t1～t5时间段，细胞运动位移为细胞拉伸长度与副通道宽度之和：Lc+Ws。
考虑到狭窄交叉通道中主通道长度足够小，故可认为细胞在穿行过程中保持匀速运动：
求解得到细胞及细胞核拉伸长度为：
根据体积等效进一步等效计算得到细胞直径Dc及细胞核直径Dn：
在上述实施例的基础上，计算得到细胞核质比N∶C的公式如下：
当狭窄交叉通道中副通道对应区域无细胞存在时，等效电学模型如附图5-a所示，电极间的阻抗可用沟道电阻Rc和沟道寄生电容Cc的并联电路表征。此时检测阻抗为Z：
当狭窄交叉通道中副通道对应区域仅有细胞(无细胞核)完全阻挡时，等效电学模型如附图5-b所示，考虑到细胞膜由绝缘磷脂双分子层和膜蛋白镶嵌附着构成，故细胞膜呈现电容的电学特性，细胞质认为呈现电阻的电学特性，所以细胞在交叉通道中的模型由副通道特定面积的检测区域电容Cm和电阻Rcp组成；由于细胞与通道之间存在一定的间隙，所以等效出一个漏电阻Rleak；电极之间的阻抗值去除细胞填充部分的电阻由Rc′表示，即Rc-rRc，其中比例系数r可通过有限元仿真得到，同时仍与沟道寄生电容Cc并联。此时检测阻抗Z：
联立公式5和公式6，代入两个频率下的阻抗幅值相位数据，即可求得细胞膜电容Cm和细胞质电阻Rcp。进而求得细胞膜比电容Csm及细胞质电导率σcp：
当狭窄交叉通道中副通道对应区域有细胞(含细胞核)完全阻挡时，等效电学模型如附图5-c所示，考虑到细胞核膜由双层的绝缘磷脂双分子层和膜蛋白镶嵌附着构成，其上存在核孔，故呈现电容和电阻的电学特性，核质可认为呈现电阻的电学特性，所以细胞(含细胞核)完在交叉通道中的模型由副通道特定面积的检测区域细胞膜电容Cm、核膜电容Cne和电阻Rne以及核质电阻Rnp组成；由于细胞与通道之间存在一定的间隙，所以等效出一个漏电阻Rleak′；电极之间的阻抗值去除细胞填充部分的电阻由Rc′表示，即Rc-rRc，其中比例系数r可通过有限元仿真得到，同时仍与沟道寄生电容Cc并联。此时检测阻抗Z：
联立公式5、公式6和公式8，代入两个频率的阻抗幅值相位数据，即可得到核膜电容Cne、核膜电阻Rne和核质电阻Rnp。进而求得核膜比电容Csne、核膜电阻Rsne及核质电导率σnp：
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一种基于狭窄交叉通道的细胞及细胞核生物电学特性检测装置及方法有了清楚的认识。
本发明与已有方法相比，无需显微镜等设备对细胞进行操纵和定位，提高了单细胞核电学特性的检测通量；通过狭窄交叉通道结构同时使细胞核达到压缩状态，从细胞特性脱离出来，提高了单细胞核电学特性的检测准确性；通过狭窄交叉通道和相应的等效电学模型，实现了细胞及细胞核生物电学特性的同时有效检测。
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，所应理解的是，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)
1.一种细胞及细胞核生物电学特性检测装置，其特征在于，包括：
微流控芯片，包括狭窄交叉通道，其由相互垂直的主通道和副通道构成，所述主通道的横截面尺寸小于所述细胞核的横截面尺寸，以使流经的细胞内的细胞核发生压缩，所述副通道用于进行阻抗检测；
压力控制模块，用于施压使细胞通过所述狭窄交叉通道；
阻抗测量模块，用于测量所述副通道两端的双频阻抗幅值和相位，据此计算得到所述细胞及细胞核的生物电学特性数据。
2.根据权利要求1所述的细胞及细胞核生物电学特性检测装置，其特征在于，所述微流控芯片还包括：
细胞溶液注入通道和细胞溶液回收通道，其分别与所述主通道的两端连接，用于使细胞正常流动；
所述细胞溶液注入通道、细胞溶液回收通道中的一个还与所述压力控制模块连接。
3.根据权利要求2所述的细胞及细胞核生物电学特性检测装置，其特征在于，所述微流控芯片还包括：
绝缘衬底，其上设有金属电极，用于与阻抗测量模块连接；其材料包括硅片、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的细胞及细胞核生物电学特性检测装置，其特征在于，所述主通道的横截面尺寸范围为7μm～12μm，所述副通道的横截面尺寸范围为2μm～3μm。
5.根据权利要求2所述的细胞及细胞核生物电学特性检测装置，其特征在于，所述细胞溶液注入通道、细胞溶液回收通道的横截面高度范围为30～40μm。
6.一种细胞及细胞核生物电学特性检测装置的制备方法，包括：
S11，在溅射铬的玻璃片上通过涂胶，曝光，显影，制备所需的微流控通道阳模；
S12，将预聚体和固化剂浇筑在所述微流控通道阳模上，固化、脱模得到含有微流控通道的PDMS；
S13，在所述含有微流控通道的PDMS的相应位置打孔，并与含有片上电极的玻璃基底键合，得到微流控芯片；
S14，将所述微流控芯片与阻抗测量模块、压力控制模块连接，得到细胞及细胞核生物电学特性检测装置。
7.一种根据权利要求1～5任一所述的细胞及细胞核生物电学特性检测装置检测得到生物电学特性数据的方法，包括：
S21，在所述微流控芯片的狭窄交叉通道中加入细胞悬浮液，通过所述压力控制模块施加负压，驱动细胞通过所述狭窄交叉通道；
S22，通过阻抗测量模块检测电极间的阻抗数据；
S23，通过下式计算细胞及细胞核拉伸长度：
其中，t1为细胞逐渐至完全阻挡电场线和保持完全阻挡电场线的时间，t2为细胞和细胞核逐渐至完全阻挡电场线的时间，t3为细胞和细胞核保持完全阻挡电场线的时间，t4为细胞及细胞核阻挡电场线逐渐减少的时间，t5为细胞阻挡电场线逐渐减少的时间；Wm为主通道的宽度，Ws为副通道的宽度，Lc为细胞拉伸长度，Ln为细胞核拉伸长度；
S24，根据所述阻抗数据和细胞及细胞核拉伸长度数据计算得到生物电学特性数据，其包括细胞核质比N∶C、细胞膜比电容、细胞质电导率、核膜比电容、核膜电阻和核质电导率。
8.根据权利要求7所述的检测得到生物电学特性数据的方法，其特征在于，所述S24中计算得到细胞核质比N∶C的公式如下：
其中，
9.根据权利要求7所述的检测得到生物电学特性数据的方法，其特征在于，所述S24中计算得到细胞膜比电容Csm、细胞质电导率σcp的公式如下：
其中，Cm为细胞膜电容，Rcp为细胞质电阻，其通过两个频率下的阻抗幅值相位数据求得。
10.根据权利要求7所述的检测得到生物电学特性数据的方法，其特征在于，所述S24中计算得到核膜比电容Csne、核膜电阻Rsne和核质电导率σnp的公式如下：
其中，Cne为核膜电容、Rne为核膜电阻，Rnp为核质电阻，其通过两个频率下的阻抗幅值相位数据求得。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113567326A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-10-29 | 清华大学 | 一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统及方法 |
| CN114518316A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-05-20 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于阻抗信号及荧光成像的细胞特征检测方法和装置 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105238676A (zh) * | 2015-10-15 | 2016-01-13 | 清华大学深圳研究生院 | 一种用于细胞打印的微流控芯片 |
| CN106124388A (zh) * | 2016-06-12 | 2016-11-16 | 中国科学院电子学研究所 | 毛细管进样系统及进样方法、单细胞电学特性检测系统 |
| CN106959391A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-07-18 | 中国科学院微电子研究所 | 一种细胞膜比电容的检测系统及方法 |
| CN108303364A (zh) * | 2018-02-02 | 2018-07-20 | 中国科学院电子学研究所 | 高通量检测细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数装置和方法 |
| CN110823787A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-02-21 | 中国科学院电子学研究所 | 双t形结构高通量检测膜电容、质电导率的装置及方法 |
| CN111413257A (zh) * | 2020-01-21 | 2020-07-14 | 中国科学院电子学研究所 | 细胞核电学性能检测装置及方法 |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105238676A (zh) * | 2015-10-15 | 2016-01-13 | 清华大学深圳研究生院 | 一种用于细胞打印的微流控芯片 |
| CN106124388A (zh) * | 2016-06-12 | 2016-11-16 | 中国科学院电子学研究所 | 毛细管进样系统及进样方法、单细胞电学特性检测系统 |
| CN106959391A (zh) * | 2017-03-20 | 2017-07-18 | 中国科学院微电子研究所 | 一种细胞膜比电容的检测系统及方法 |
| CN108303364A (zh) * | 2018-02-02 | 2018-07-20 | 中国科学院电子学研究所 | 高通量检测细胞尺寸、尺寸无关单细胞电参数装置和方法 |
| CN110823787A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-02-21 | 中国科学院电子学研究所 | 双t形结构高通量检测膜电容、质电导率的装置及方法 |
| CN111413257A (zh) * | 2020-01-21 | 2020-07-14 | 中国科学院电子学研究所 | 细胞核电学性能检测装置及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| YAN LIU等: ""Development of microfluidic platform capable of characterizing"", 《MICROFLUIDICS AND NANOFLUIDICS》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113567326A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-10-29 | 清华大学 | 一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统及方法 |
| CN114518316A (zh) * | 2022-01-28 | 2022-05-20 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于阻抗信号及荧光成像的细胞特征检测方法和装置 |
| CN114518316B (zh) * | 2022-01-28 | 2023-12-15 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 一种基于阻抗信号及荧光成像的细胞特征检测方法和装置 |
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