微流控电阻抗检测系统的通用配置方案
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
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。
（1）现有PDMS电极芯片的类型有：
（2）玻璃电阻抗检测芯片
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。
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。
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
来源：fangdzxx_355的博客