2仿真結(jié)果與討論

2.1非檢測電極設(shè)置懸浮和接地的EIS檢測靈敏度比較

圖3非檢測電極的不同設(shè)置對C11子細(xì)胞剪切的影響

如圖3(a)、圖3(b)所示，非檢測電極設(shè)置成懸浮和接地時(shí)，C11子細(xì)胞剪切造成的ΔAr隨行列間距變化的趨勢相似，整體上隨著行列間距增大而逐漸增大。非檢測電極接地時(shí)，C11子細(xì)胞剪切產(chǎn)生的ΔAr更大，其EIS檢測靈敏度更高。因此，后續(xù)的仿真實(shí)驗(yàn)中非檢測電極均設(shè)置為接地。

2.2響應(yīng)電流的組成及分布

如圖4(a)、圖4(b)所示，響應(yīng)電極R1記錄的響應(yīng)電流I1由4部分構(gòu)成，依次記為Ia、Ib、Ic、Id。其中，只有部分Ia流經(jīng)C11所在的捕獲檢測單元，因此只有Ia反映母細(xì)胞C11的幾何尺寸信息。響應(yīng)電流I1中Ia所占的比重越大，對于母細(xì)胞C11的檢測靈敏度越高。Ib流經(jīng)C12所在的捕獲檢測單元，因此C12細(xì)胞存在與否主要影響Ib，進(jìn)而對響應(yīng)電流I1造成影響。C12細(xì)胞的存在使其所在捕獲檢測單元處的電阻抗提高，Ib減小，因此響應(yīng)電流I1減小。C21細(xì)胞存在時(shí)其所在捕獲檢測單元處的電阻抗提高，造成Ic、Id增大，因此響應(yīng)電流I1增大。

圖4響應(yīng)電流的分布及組成

如圖5所示，總體上，響應(yīng)電流I1隨著行列間距的增大而減小。在行列間距為200μm～300μm時(shí)，響應(yīng)電流I1幾乎不隨行列間距的變化而變化。這是由于此時(shí)行列間距已經(jīng)足夠大，Ib、Ic、Id較小，響應(yīng)電流I1主要由Ia組成，此時(shí)對酵母細(xì)胞C11的EIS檢測靈敏度較高。

圖5響應(yīng)電流的幅值變化圖

2.3鄰近細(xì)胞對響應(yīng)電流的影響

非檢測電極設(shè)為接地，仿真研究不同行列間距組合中單個(gè)鄰近細(xì)胞存在與否以及待測子細(xì)胞剪切造成的ΔAr。圖6(a)～圖6(e)分別反映了待測細(xì)胞C11的鄰近細(xì)胞C12、C13、C21、C31、C22存在時(shí)響應(yīng)電流相對幅值ΔAr隨行列間距的變化。如圖6(a)、圖6(b)所示，總體上來看，隨著列間距的增大，C12細(xì)胞的存在造成了ΔAr顯著減小。由于C12細(xì)胞主要影響Ib，當(dāng)行列間距均在100μm以下時(shí)，Ib在I1中所占比重較小，Ib的變化并未引起響應(yīng)電流的顯著變化，因此ΔAr較小。隨著行間距的增大，Ic、Id逐漸減小，響應(yīng)電流中Ib所占比重逐漸增大，因此ΔAr逐漸增大。C13細(xì)胞的存在引起ΔAr的變化相對于C12細(xì)胞的存在小一個(gè)數(shù)量級，因此其影響可以忽略。如圖6(c)、圖6(d)所示，隨著行間距的增大，C21細(xì)胞的存在引起ΔAr顯著減小。這是由于C21主要影響Ic、Id，隨著行間距的增大，Ic、Id逐漸減小，因此ΔAr也逐漸越小。C31細(xì)胞的存在引起ΔAr的變化相對于C21細(xì)胞的存在小一個(gè)數(shù)量級，因此其影響也可忽略。如圖6(e)所示，C22細(xì)胞的存在引起ΔAr的變化比C12、C21細(xì)胞的存在小1到2個(gè)數(shù)量級，其影響忽略。待測細(xì)胞C11的子細(xì)胞剪切引起ΔAr的變化如圖6(f)所示?？傮w上，隨著行列間距的增大，C11子細(xì)胞剪切的檢測靈敏度逐漸增大。

圖6鄰近細(xì)胞的存在及待測細(xì)胞子細(xì)胞剪切對待測響應(yīng)電流的影響

由以上分析可知，與待測細(xì)胞同行或同列的鄰近細(xì)胞對響應(yīng)電流的影響隨著列間距或行間距的增加而顯著下降，并且最鄰近的細(xì)胞對響應(yīng)電流的影響要遠(yuǎn)大于較遠(yuǎn)處的細(xì)胞。與待測細(xì)胞不同行不同列的細(xì)胞對響應(yīng)電流的影響可忽略。因此在確定合適的行列間距時(shí)只考慮C12、C21細(xì)胞的存在對ΔAr的影響，分別將其與C11的子細(xì)胞剪切造成的ΔAr比較。行列間距越大，鄰近細(xì)胞對于響應(yīng)電流的影響越小，目標(biāo)細(xì)胞的檢測靈敏度越高。然而捕獲檢測單元的行列間距過大會降低酵母單細(xì)胞的捕獲效率以及芯片的集成度。因此，綜合考慮檢測靈敏度以及芯片集成度，選擇列間距為100μm、行間距為125μm作為捕獲檢測陣列的設(shè)計(jì)參數(shù)。此行列間距下，C12、C21細(xì)胞存在與否以及C11子細(xì)胞剪切造成的ΔAr分別為1.78×10-4、6.85×10-4、4.66×10-3。與C11子細(xì)胞剪切造成的EIS信號變化(4.66×10-3)相比，鄰近細(xì)胞對于響應(yīng)電流相對幅值的影響在其15%以下，因此預(yù)期可實(shí)現(xiàn)對待測出芽酵母子細(xì)胞剪切事件的準(zhǔn)確檢測。

3總結(jié)

在本研究中，我們提出了可用于出芽酵母細(xì)胞電阻抗檢測的集成微電極陣列微流控芯片的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，并建立了三維有限元模型，重點(diǎn)研究了微電極陣列的行列間距對細(xì)胞電阻抗檢測靈敏度的影響。通過有限元模型仿真計(jì)算中對捕獲檢測單元的行列間距進(jìn)行了參數(shù)化掃描，分析了微電極陣列中待測響應(yīng)電流的分布及組成，并研究了鄰近細(xì)胞對于待測響應(yīng)電流的影響，確定了有效檢測待測出芽酵母子細(xì)胞剪切所需的最小行列間距組合。所提出的集成微電極陣列微流控芯片有望用于基于電阻抗譜技術(shù)的高通量酵母單細(xì)胞復(fù)制衰老及壽命檢測，建立的有限元模型及仿真分析結(jié)果為微流控芯片的設(shè)計(jì)及優(yōu)化改進(jìn)提供了重要參考。