近年來，隨著多學(xué)科交叉的深入發(fā)展及微納加工技術(shù)的進步，微流控技術(shù)在生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于微流控芯片具有小型化的特點，特征尺寸與細胞尺度相近、成本低、結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活且易于與其他檢測分析手段集成，因此被廣泛用于單細胞分析。釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)，也稱為出芽酵母，作為一種重要的模式生物，在現(xiàn)代生物學(xué)研究中具有重要意義。而微流控芯片則為酵母單細胞分析提供了便捷又精準(zhǔn)的研究平臺。

目前，微流控芯片中酵母細胞的監(jiān)測方法主要是光學(xué)顯微成像技術(shù)。通過高分辨顯微鏡能夠獲得出芽酵母單細胞的形態(tài)、尺寸、生長速率、子細胞剪切等信息。利用熒光蛋白標(biāo)記亞細胞結(jié)構(gòu)(液泡、細胞核、線粒體等)，還能獲得酵母細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。然而，高分辨率時序顯微成像技術(shù)的通常需要熒光標(biāo)記，對細胞的正常生理過程存在一定的影響；此外，大批量的圖像處理耗時耗力。

相比于顯微成像技術(shù)，電阻抗譜(Electrical impedance spectroscopy，EIS)具有非侵入性、無需熒光標(biāo)記、快速檢測、多參數(shù)讀取等特點。電阻抗譜檢測功能可通過微電極集成在微流控芯片中，通過檢測單細胞的介電特性表征細胞尺寸、生長狀態(tài)等。例如，Haandbaek等在微流控芯片中集成微電極，并根據(jù)電阻抗信號對流經(jīng)微流體通道的酵母細胞的出芽狀態(tài)進行區(qū)分。Zhu等提出一種可以捕獲酵母單細胞的微流控芯片，并通過電阻抗對單個出芽酵母的生長及運動進行監(jiān)測、區(qū)分。然而，現(xiàn)有的研究成果還無法實現(xiàn)對出芽酵母的高通量、長時間的EIS監(jiān)測。因此，用于出芽酵母長時間培養(yǎng)、原位時序電阻抗監(jiān)測的高通量微流控芯片尚待研究。

本研究提出一種集成高通量酵母單細胞捕獲結(jié)構(gòu)及微電極陣列的微流控芯片，建立微流控芯片及酵母細胞的三維有限元模型，分析模型內(nèi)電流分布情況以及不同行列間距下鄰近細胞對于待測細胞EIS信號的影響?？紤]到陣列集成度及檢測靈敏度的需求，根據(jù)仿真分析結(jié)果探索微電極陣列的最優(yōu)行列間距，對基于電阻抗譜的微流控酵母檢測芯片的設(shè)計優(yōu)化具有重要意義。

1原理和方法

1.1微流控芯片的結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1(a)所示，微流控芯片由玻璃襯底、鉻-金微電極陣列、氮化硅絕緣層、SU-8光刻膠捕獲-剪切結(jié)構(gòu)等組成。微電極陣列是酵母細胞EIS檢測的核心結(jié)構(gòu)。如圖1(b)、圖1(b)所示，微電極陣列由列電極(紅色部分)和行電極(藍色部分)交叉排列而成，SU-8捕獲-剪切結(jié)構(gòu)則分布于每個行列電極交叉處。所有行列電極寬度均為10μm。列電極與行電極表面有一層氮化硅絕緣層，在捕獲-剪切結(jié)構(gòu)上下游分別形成長為15μm，寬為8μm的圓角矩形開孔，用于對出芽酵母的電阻抗檢測。氮化硅絕緣層能夠有效避免微電極陣列間的電流串?dāng)_，提高電阻抗檢測的靈敏度。每個捕獲-剪切結(jié)構(gòu)以及與之對應(yīng)的絕緣層開孔處的微電極對即為一個酵母細胞的捕獲檢測單元。相鄰捕獲檢測單元的列間距設(shè)為Δx、行間距設(shè)為Δy。如圖1(b)、圖1(c)所示，捕獲-剪切結(jié)構(gòu)由2根對稱的SU-8微柱組成，微柱高為8.3μm，2根微柱的下游開孔寬度為3μm，與上下游氮化硅開孔距離均為6μm。圖1(c)為捕獲檢測單元沿AA′的截面示意圖，行列電極的厚度均為0.2μm，氮化硅層的總厚度為1μm。具體地，列電極位于玻璃襯底表面，行電極位于厚度為0.5μm的第一層氮化硅上表面。

圖1微流控芯片幾何結(jié)構(gòu)圖

如圖1(b)所示，出芽酵母細胞以出芽方式進行增殖。母細胞被流體動力固定在捕獲-剪切結(jié)構(gòu)中，子細胞在下游開孔外出芽生長，并最終被流體剪切去除。SU-8捕獲-剪切結(jié)構(gòu)、被捕獲的出芽酵母細胞以及周圍的培養(yǎng)液構(gòu)成一個等效電路系統(tǒng)，酵母細胞的生長以及子細胞的剪切均會改變系統(tǒng)的電阻抗。通過捕獲檢測單元上下游的微電極對可以實現(xiàn)對系統(tǒng)電阻抗的檢測，其原理是對上游激勵電極施加幅值固定的交流電壓并記錄下游響應(yīng)電極的電流響應(yīng)，基于歐姆定律計算出系統(tǒng)的電阻抗。幅值、頻率一定的激勵信號記為，響應(yīng)電流記為，則該系統(tǒng)的復(fù)阻抗為:

對捕獲檢測單元中的出芽酵母進行電阻抗檢測時，施加激勵信號至與之對應(yīng)的列電極，并檢測相應(yīng)行電極的響應(yīng)電流信號。按照行列尋址的方式選擇不同的行列電極組合，能夠?qū)崿F(xiàn)陣列中所有出芽酵母的電阻抗檢測。根據(jù)式(1)，在激勵信號不變的情況下，響應(yīng)電流的變化能夠反映系統(tǒng)復(fù)阻抗的變化，進而揭示待測出芽酵母的相關(guān)信息，如細胞的尺寸變化、子細胞的剪切等。