目前，结合荧光激活细胞分选（fluorescent activated cell sorting，FACS）的荧光标记技术可以快速、准确的实现高通量的细胞分选。但是，FACS技术有两个主要缺点[1]：一是需要使用标记和抗体对细胞进行修饰，这意味着有可能会改变研究对象；二是FACS设备非常昂贵且操作复杂。基于电阻抗检测的微流控技术由于无需对测量对象做标记，也不会侵入到其内部，从而不会对其造成任何破坏。此外，微流控电阻抗检测技术所用的样品量较小，而且基于电阻抗检测的设备易于操作和携带。所以，基于电阻抗检测的微流控技术为细胞检测提供了一个全新的分析方法。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，基于电阻抗检测的流式细胞仪作为一种无标记、非侵入式技术而被广泛的应用于细胞的计数、分选、捕获、分离与鉴别等[1-2]。Holmes等[3]利用基于微流控阻抗检测的流式细胞仪对粒细胞、单核细胞和淋巴细胞进行计数和鉴别，通过分析白细胞的三个主要种群的特性来间接判断人体的健康状况。Küttel等[4]利用电阻抗技术检测牛身上的红细胞中是否存在牛巴贝虫寄生虫，由此来鉴别红细胞是否受到感染。Benazzi等[5]利用微流控电阻抗技术对浮游植物的种群进行鉴别和分析。Bernabini等[6]利用微流控电阻抗检测技术成功的检测并鉴别了1 μm和2 μm直径的聚苯乙烯微球和大肠杆菌，实验结果与传统流式细胞仪和动态光散射测量的结果相一致。Zhu等[7]利用微流控多频电阻抗检测技术实时监测了单个酵母菌细胞的生长过程。酵母菌芽的增量大小引起的电阻抗信号也被清晰的检测到。此外，利用电阻抗检测技术还可以监视酵母菌细胞在陷阱里的运动或所处位置的变化。

本文主要介绍微流控领域电阻抗检测系统的通用配置方案。

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。

对于以上四个模块的组合，我们仅仅给出一个微流控电阻抗检测系统的连接示例，如下图所示。对于该系统中所用到的设备，可以使用其他的实验设备进行代替，但是总体的连接方式是相同的。MFCS驱动泵把储液池内的液体推入到微流控芯片的通道内。MFLI产生一个或多个不同频率的正弦电压信号，施加在电阻抗芯片的激励电极上，敏感电极测量到的电流信号经过跨阻放大器转化为电压信号并对信号进行放大。放大后的电压信号输送到MFLI锁相放大器。MFLI锁相放大器和MFCS驱动泵的参数调节和控制都在PC电脑上的LabOne软件和MAESFLO软件上进行设置。

 微流控电阻抗检测芯片

 微流体芯片是微流控实验不可缺少的一个核心组件，而且也是实验创新的主要部分。对于特定的应用研究，需要采用特定材质及不同通道结构的微流体芯片。微流体芯片的材质目前主要有玻璃、聚合物及PDMS，而芯片的通道结构会涉及到通道的几何形状、深宽比、表面修饰、键合方式等内容。目前，电阻抗检测芯片最为常见的是PDMS-玻璃芯片、玻璃-玻璃芯片。采用光刻剥离和磁控溅射技术可将金属微电极加工在玻璃的表面。

（1）现有PDMS电极芯片的类型有：

       •“十”字交叉型的微液滴检测芯片

      适当调节连续相和分散相的液体流速，可在芯片的“十”字交叉处快速产生微液滴。微液滴的生成频率可通过电阻抗检测技术进行实时计数，而液滴尺寸的变化可通过电阻抗检测数据进行统计分析得到。

    “十”字交叉型微液滴检测芯片可用于常规微液滴的制备与检测，细胞或病毒包裹的微液滴制备与检测，无机纳米颗粒包裹的微液滴制备与检测等。

       •  溶液混合的检测芯片

       将两种或多种不同的溶液同时或按时先后顺序通入芯片通道内，通过电阻抗检测技术测量溶液的阻抗变化，由此间接的判断不同种溶液的扩散性或化学反应程度。溶液混合的芯片主要用于研究两种不同溶液间的扩散程度，不同溶液发生化学反应的过程等。

       •  介电谱测量的检测芯片

       将不同性质的液体或同种性质的液体推入芯片通道内，通过阻抗测量技术测量溶液的介电谱，通过介电常数的变化来研究溶液或粒子等的化学性质的变化。

       介电谱测量芯片可用于生物细胞（红细胞、酵母细胞、大肠杆菌、藻细胞等）悬浮液的测量，生物组织/生物大分子溶液的测量，表面活性剂胶束体系的测量以及反胶束与微乳液体系的测量等。

（2）玻璃电阻抗检测芯片

 由于玻璃具有良好的光学透过性，有利于光学显微镜观察玻璃芯片通道的形貌，因此，玻璃电阻抗检测芯片常被应用于细胞鉴别与计数、微生物种群鉴别、血液检测等方面。玻璃通道上部和底部的制作的两对对面电极的电阻抗芯片[8]，如下图所示。

微流控芯片进样泵与流量计

微流控芯片进样泵有多种不同的形式，比如注射泵、蠕动泵、压力泵、压电泵等，主要作用都是把液体推入到微流控芯片的通道内。在微流控芯片的入口之前接入流量计或压力计等传感模块，可以测量微流体通路上的流体流速或流体的压力。我们在这里介绍Fluigent的MFCS压力泵和流量计，当然，其它品牌的进样泵和流量计也可以使用。MFCS压力泵、流量计与芯片之间的连接如下图所示。

 MFCSTM驱动泵把储液池内的液体推进到微流体电阻抗芯片的通道内。储液池与芯片之间连接的FluigentFLOW UNIT流量计可以实时的测量流入到芯片通道内的液体流速。Flow-Rate Control Module（FRCM）流速反馈控制模块通过全局控制的方式可以把微流体的流速长时间的维持在所设定的数值上，而MFCSTM驱动泵的输出压力则随储液池内的液面高度、外界的干扰等因素进行自动调节。

 MFCSTM驱动泵由于基于气体压力致动而不会产生脉冲波动。多达16个通道的输出压力，允许同时进行16个支路的液体驱动，通过Fluigent MAESFLOTM软件，可对16个通道的输出压力进行单独设置。友好的MAESFLOTM软件界面可同时显示输出压强的数值和曲线。Script Module可实现简单或复杂波形的压力驱动，通过SDK软件开发包，用户可方便的将MAESFLOTM软件集成MATLAB、LabVIEW、Python、C/C++等软件中。

与任何流体控制器相兼容的FLOW UNIT流量计可测量的液体流速从0到±5 mL/min。温度传感器测量结合优异的数学算法可精确的测量液体的实际流速。在内置的水或异丙醇溶液测量的模式下，通过简单的校准就可以测量与硼硅酸盐玻璃相兼容的任何流体。此外，体积狭小的FLOW UNIT流量计易于安装和使用。

基于优异数学算法的流速反馈控制模块（FRCM）可在最低200 ms的时间内达到所设定的液体流速值。此外，FRCM还可以实现微流控芯片交叉或汇聚多通道内的液体流速的稳定控制，不因通道交叉点或汇聚点的流量混合而出现流速波动较大及流速反馈较慢的情况。

电阻抗分析仪/锁相放大器

电阻抗检测分为静态电阻抗检测和动态电阻抗检测。静态电阻抗检测主要测量物体在静止状态下的介电性质如电阻、电抗、电导、电纳、介电常数、介电损耗等。动态电阻抗检测用于测量运动物体的介电性质，主要用于实时测量微流体芯片通道内粒子的介电特性，该粒子可以是各种类型的细胞、细菌、微液滴、聚苯乙烯微球等。此外，动态电阻抗测量还可用于细胞的计数和尺寸测量、细菌数量的测量、细胞形变量的测量以及微液滴的计数等。

微流控电阻抗检测系统需要使用高灵敏的信号检测设备测量微流控芯片通道内的微弱电流变化。常用的设备有高灵敏的电阻抗分析仪（带有差分功能）和锁相放大器。常见的电阻抗分析仪有安捷伦、舒立强、瑞士万通、瑞士苏黎世仪器等；锁相放大器有斯坦福、NF、阿美特克、瑞士苏黎世仪器等。本文将会以瑞士苏黎世仪器的MFLI锁相放大器为例介绍微流控动态电阻抗检测的原理。

微流控电阻抗检测系统的实物连接图如下图所示。

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。以两对共面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[10]如上图所示。在微流体芯片通道内加工两对金属微电极，一对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，而另一对电极作为参考电极，仅用于测量介质溶液的电流。当MFLI锁相放大器对两对电极同时施加一定幅值且具有一个频率或多个不同频率的交流信号时，微流体芯片通道内两对电极之间会产生电场。当粒子经过电极对之间的间隙时，电场会受到扰动而产生电流的变化，电流变化的幅度取决于粒子的尺寸、形状和介电性质。变化的电流经跨阻差分放大器进行放大并转换为差分电压信号。MFLI锁相放大器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等软件进行分析处理。

LabOne®动态电阻抗检测软件

多功能、易操作的LabOne®软件可运行于浏览器网页，不受限于任何操作系统。LabOne®软件集成Numerical、Plotter、Sweeper、Spectrum、SW Trigger、Scope等软件包[11]，有利于电阻抗信号的观察与测量。其中Plotter可用于电阻抗测量的实时观察和特定时间内的数据保存，如图六所示。Sweeper可用于DC-5 MHz频率范围内的电阻抗测量，方便用户获得测量对象在不同频率下的阻抗变化。

此外，通过在阈值控制单元（Threshold Unit）里面设置不同幅值电平的控制条件，可实现实时的细胞或粒子的计数功能。监测到的逻辑信号还可通过Trigger Output或DIO输出到其他设备的输入端口，以触发其他设备的自动化运行，例如细胞分选。

光学显微镜

光学显微镜有正置显微镜、倒置显微镜和体视显微镜。常见的显微镜品牌有Zeiss、Leica、Nikon和Olympus。由于微流控芯片的进出口大部分在芯片的上方，在观察芯片通道内几个微米的物体时，正置显微镜的物镜需要靠近芯片的表面，如此近的距离，会影响芯片进出口与导管的连接。因此，进行微流控实验时，建议优先选择倒置显微镜。

  除了以上介绍的五个部分，还需要不同规格的毛细管、转接头、Pt或Au电极、导电银浆、环氧树脂胶等配件，把微流控芯片与微流控芯片进样泵和流量计等连接在一起，形成一条完整的检测通路。

综上所述，微流控电阻抗检测系统主要由5部分组成，分别是：

（1）符合实验研究对象的微流控电阻抗检测芯片。采用磁控溅射或电子束蒸发技术在玻璃表面上制作Au或Pt或Pt/Au电极。然后，选择合适的芯片材质，采用软光刻技术或模塑技术或刻蚀与阳极键合技术/高温键合技术等加工制作共面电极或对面电极结构的电阻抗检测芯片。

（2）高精度、高灵敏与高带宽的多频锁相放大器或多频阻抗分析仪和宽频带的跨阻放大器如MFLI锁相放大器、HF2IS阻抗谱仪、HF2TA跨阻放大器等。多频锁相放大器或阻抗分析仪可同时完成多个不同频率信号的产生与解调。此外，界面友好的仪器操作软件可方便用户简单的设置实验参数；对测量结果可实时的进行曲线可视化显示，并对测量的数据实时的保存到本地的电脑上。

（3）光学显微镜如Zeiss、Leica、Nikon、Olympus等倒置荧光显微镜或体视显微镜

（4）快速稳定的微流控芯片进样泵如注射泵、蠕动泵、压力驱动泵等。驱动泵可将储液池内的液体平稳的推进到微流控芯片的通道内，有助于降低电阻抗测量过程中的阻抗基线漂移现象。

（5）流量计或压力计，用于测量流体通路上的液体流量或液体压力。

参考文献

     [1] T. Sun, H. Morgan, Microfluid Nanofluid, 2010, 8, 423-443

     [2] K. C. Cheung, M. D. Berardino, G. S. Kampmann, et al, Cytometry Part A, 2010, 77A, 648-666

     [3] D. Holmes, D. Pettigrew, C. H. Reccius, et al, Lab on a Chip, 2009, 9, 2881-28894

     [4] C. Küttel, E. Nascimento, N. Demierre, et al, Acta Trop., 2007, 102, 63-68

     [5] G. Benazzi, D. Holmes, T. Sun, et al, IET Nanobiotechnol., 2007, 1, 94-101

     [6] C. Bernabini, D. Holmes, H. Morgan, et al, Lab on a Chip, 2011, 11, 407-412

     [7] Z. Zhu, O. Frey, F. Franke, et al, Anal Bioanal Chem, 2014, 406, 7015-7025

     [8] Micronit microtechnologies, Electrical impedance spectroscopy manual

     [9] Fluigent, MAESFLO User Manual, P21

     [10] H. Morgan, T. Sun, D. Holmes, et al, Journal of Physics D: Applied Physics, 2007, 40, 61-70

     [11] Zurich Instruments, http://www.zhinst.com/labone

     [12] Zurich Instruments, MFLI User Manual

     [13] LabSmith, SVM 340 User Manual

来源：fangdzxx_355的博客