電阻抗檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、生命科學(xué)、食品安全、疾病診斷等領(lǐng)域。在微流控領(lǐng)域，電阻抗檢測(cè)技術(shù)可應(yīng)用于單細(xì)胞或微液滴的檢測(cè)與分析、生物組織分析、細(xì)胞計(jì)數(shù)、細(xì)胞分選、交流介電電泳（DEP）和生物阻抗測(cè)量等。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的微流控電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)在一定程度上可以看成是由多個(gè)不同功能的模塊經(jīng)過(guò)有效的有機(jī)組合而成的。該檢測(cè)系統(tǒng)主要包括五個(gè)模塊：微流控電阻抗檢測(cè)芯片、微流控芯片進(jìn)樣泵、流量計(jì)或壓力計(jì)、電阻抗分析儀/鎖相放大器、光學(xué)顯微鏡等，如下圖所示。

對(duì)于以上五個(gè)模塊的組合，我們?cè)诖私o出三個(gè)微流體電阻抗檢測(cè)的連接示例，如下圖1所示。從下圖中可以看到，微流體電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程為多通道壓力&真空控制器OB1 Mk3+將樣品儲(chǔ)液池內(nèi)的液體推入到微流體毛細(xì)導(dǎo)管內(nèi)，然后液體經(jīng)過(guò)低流量傳感器MFS后，進(jìn)入到微流體芯片的通道內(nèi)。電信號(hào)測(cè)量?jī)x器如MFLI鎖相放大器、HF2LI雙通道鎖相放大器、Moku:Lab多功能測(cè)量?jī)x等產(chǎn)生激勵(lì)電壓信號(hào)，施加到微流體芯片的激勵(lì)電極上，微流體芯片的測(cè)量電極輸出微弱的電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電流放大器或者跨阻放大器并放大后成為電壓信號(hào)，電信號(hào)測(cè)量?jī)x器檢測(cè)該電壓信號(hào)。

HF2LI雙通道鎖相放大器和OB1多通道壓力控制器及低流量傳感器MFS組成的電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)

Keysight阻抗分析儀E4990A和OB1多通道壓力控制器及低流量傳感器MFS組成的電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)

MFLI數(shù)字鎖相放大器和液體驅(qū)動(dòng)泵組成的電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)

圖1 三種常見(jiàn)的微流體動(dòng)態(tài)電阻抗檢測(cè)和分選系統(tǒng)連接的實(shí)物圖

如下以瑞士蘇黎世儀器的HF2LI雙通道鎖相放大器和OB1多通道壓力控制器及微流控電阻抗芯片為例介紹微流控動(dòng)態(tài)電阻抗檢測(cè)的原理。

圖2 HF2LI鎖相放大器和OB1壓力控制器與微流體電阻抗芯片的連接示意圖

動(dòng)態(tài)電阻抗檢測(cè)可用于測(cè)量微流體芯片通道內(nèi)單個(gè)粒子的介電特性。以共面三電極的微流控電阻抗芯片為例介紹動(dòng)態(tài)電阻抗檢測(cè)的過(guò)程，芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在微流體芯片通道內(nèi)加工三個(gè)金屬微電極，其中中間的微電極作為激勵(lì)電壓電極，兩端的金屬微電極作為測(cè)量電極，用于測(cè)量介質(zhì)溶液中單個(gè)粒子經(jīng)過(guò)時(shí)的電流變化。首先，OB1多通道壓力控制器對(duì)樣品儲(chǔ)液池內(nèi)的液體施加壓力，液體進(jìn)入到微流體毛細(xì)導(dǎo)管內(nèi)，接著通過(guò)低流量傳感器MFS，然后進(jìn)入到微流體電阻抗芯片的通道內(nèi)。低流量傳感器MFS用于測(cè)量流入到微流控芯片通道內(nèi)的液體流量變化，從而避免測(cè)量粒子堵塞芯片通道。HF2LI雙通道鎖相放大器輸出一個(gè)或多個(gè)不同頻率和不同電壓的交流電壓信號(hào)，施加到微流控電阻抗芯片的激勵(lì)電極上，激勵(lì)電極和兩側(cè)的兩個(gè)測(cè)量電極之間會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)，同時(shí)，測(cè)量電極輸出電流信號(hào)。該電流信號(hào)通過(guò)電流放大器HF2TA或跨阻放大器并被放大，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。HF2LI雙通道鎖相放大器采用差分測(cè)量的方式直接測(cè)量該電壓信號(hào)。當(dāng)液體中的粒子經(jīng)過(guò)微流控電阻抗芯片的電極區(qū)域時(shí)，電場(chǎng)會(huì)受到粒子的擾動(dòng)而產(chǎn)生電流的變化，該電流變化的幅度取決于粒子的尺寸、形狀和介電性質(zhì)。差分測(cè)量電壓信號(hào)的優(yōu)勢(shì)是可以大幅度的抑制各種噪音或干擾信號(hào)。HF2LI雙通道鎖相放大器可以同時(shí)解調(diào)一個(gè)頻率或多個(gè)不同頻率的差分電壓信號(hào)，從而給出每一個(gè)頻率信號(hào)的同相分量和正交分量或者幅值和相位值，同時(shí)抵制所有其他頻率信號(hào)的干擾。所測(cè)量的電阻抗的變化可以在本地電腦上的LabOne軟件里的Plotter進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察且測(cè)量的數(shù)據(jù)可直接保存在本地電腦，方便后續(xù)使用MATLAB、Python、Origin、R等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。

LabOne軟件顯示的動(dòng)態(tài)差分測(cè)量信號(hào)的顯示曲線

帶有共面金屬電極的PDMS芯片中產(chǎn)生油包水微液滴，石蠟油為連續(xù)相（含span80表面活性劑），經(jīng)過(guò)濾后的去離子水為分散相。產(chǎn)生的微液滴如下視頻所示。

MFLI鎖相放大器采用動(dòng)態(tài)差分測(cè)量方法檢測(cè)PDMS芯片中產(chǎn)生的微液滴視頻如下所示。

微流控細(xì)胞或細(xì)菌的動(dòng)態(tài)檢測(cè)應(yīng)用的介紹

參考文獻(xiàn)

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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

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