一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统和方法，所述测量系统包括微流控系统、多频阻抗测量系统和实时处理算法系统共三个子系统。其中，微流控系统负责完成驱动大量单细胞聚束列队高速通过测量区域；多频阻抗测量系统负责测量并采集单细胞在多个不同频点下的阻抗值；实时处理算法系统负责实现对阻抗值进行滤波、脉冲检测提取以及实时获取待测单细胞的细胞半径、细胞质电导率和细胞膜单位膜电容等本征参数。应用本发明专利技术所述的测量系统可以高通量实时单细胞电学本征参数，在生命科学仪器上具有广阔应用前景。命科学仪器上具有广阔应用前景。命科学仪器上具有广阔应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统及方法


[0001]本专利技术单细胞电学参数测量领域，具体涉及一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统及方法。

技术介绍

[0002]单细胞表征提供了细胞基本结构，功能信息和病理状态，在揭示细胞异质性中起着重要作用，对生命科学研究、疾病诊断和个性化医学意义重大。一直以来，荧光标记是单细胞分析和成像的主要工具，它通过对细胞标记具有分子特异性的检测标签(如荧光染料、量子点、磁珠和稳定同位素等)来识别细胞中的组分及其状态。对细胞进行荧光标记不但需要细胞特异性的先验知识，而且标记过程的侵入式操作会改变细胞状态，使分析过程复杂化，限制后续分析。相比之下，细胞的生物物理特性(如电学特性和机械特性)同样与细胞内的分子组成有关，已被证明是诊断疾病(癌症、疟疾、糖尿病和镰状细胞性贫血等)的有效生物标记，且生物物理特性表征无需标记细胞，表征过程中细胞状态基本不变，表征后细胞仍然可以进行下一步操作和分析，如分选、培养、组学分析等，因此广受关注。
[0003]作为生物物理特性之一，细胞电学特性反映了膜形态、离子通道状态、核大小和细胞质的特征。电学特性表征的基本原理是利用电旋转、电阻抗谱和阻抗流式术，对细胞施加交流电激励，以细胞运动学或电学测量信号表征细胞的电学特性。电旋转技术中，单细胞被定位于微流控器件的多个电极中，受介电作用而发生旋转，通过拟合细胞的转速
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电信号频率曲线，解算出单细胞的电学本征参数(如细胞大小，细胞质电导率和单位膜电容)。此技术对细胞的定位操作过程繁琐，测量时间较长，通量只有1个细胞/秒，且不太适用于高电导率的真实细胞缓冲液。电阻抗谱技术中，单细胞被捕获在电极中，对电极施加扫频信号并测量输出电流，得到单细胞的阻抗谱后从细胞电学模型中解算出细胞的电学本征参数。由于电信号响应快，该技术能够实现对捕获细胞的快速扫描，但是测量结果易受捕获结构的影响，通量因为捕获操作而无法提升。相比之下，阻抗流式技术中，单细胞连续高速通过电极检测区，直接以细胞的少数频点的绝对或相对阻抗值来表征其电学特性，通量高达1000个细胞/秒，但现有的基于模型拟合的本征参数解算方法耗时较长，测量系统在线使用时只能给出现象学参数(如阻抗幅度、相位和阻抗透明度)来表征单个细胞，导致测量结果高度依赖于测量平台，并且无法在不同平台之间进行比较。
[0004]现有技术至少存在以下缺点：1)由于单细胞操作的局限性如对细胞的定位与捕获操作过程繁琐、测量时间较长，导致测量系统复杂且单细胞测量通量较低；2)阻抗流式分析技术中单细胞连续高速通过电极检测区，单频点测量导致信息不足，只能以现象学参数(如阻抗幅度、相位和阻抗透明度)来表征单个细胞，使得测量结果高度依赖于测量平台，并且无法在不同平台之间进行比较；3)在高通量背景下，传统的基于梯度下降拟合或决策树等算法计算量大、所需时间长，无法满足实时处理的需求，导致现有技术无法实现对单细胞进行高通量实时在线的电学本征参数测量。
[0005]因此，需要寻找一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统及方法，可以提高
高通量场景下单细胞阻抗流式技术有效分析原始阻抗数据的能力，实现对单细胞的高通量实时在线电学本征参数测量。
[0006]专利技术目的
[0007]本专利技术的目的就在于解决现有技术中所存在的不足，提供一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统及方法，一是利用微流控技术、阻抗流式分析技术与锁定放大技术，提高单细胞电学表征系统的通量的同时降低测量系统的复杂程度；二是利用多频锁定放大原理，得到单细胞的多频阻抗并解算出电学本征参数；三是利用神经网络技术快速分析复杂的输入数据并以高精度预测输出的优势，实现对单细胞进行高通量实时在线电学本征参数测量。

技术实现思路

[0008]根据本专利技术的一个方面，提供了一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统，包括共三个子系统：微流控系统、多频阻抗测量系统和实时处理算法系统；
[0009]其中，所述微流控系统由微流控器件和进样驱动装置组成，负责完成驱动大量单细胞聚束列队高速通过测量区域；
[0010]所述多频阻抗测量系统由DDS信号发生模块、锁定放大器模块和信号采集模块组成，负责测量并采集单细胞在多个不同频点下的阻抗值；
[0011]所述实时处理算法系统由数字滤波算法、事件检测与脉冲提取算法和神经网络回归算法组成，负责实现对阻抗值进行滤波、脉冲检测提取以及实时获取待测单细胞的细胞半径、细胞质电导率和细胞膜单位膜电容这些本征参数。
[0012]优选地，所述微流控系统中的微流控器件被芯片化设计为微流控器件芯片，所述微流控器件芯片被设计为两层，其中，底层以玻璃作为基底并配置有一对平面电极以进行阻抗检测，顶层配置有聚二甲基硅氧烷PDMS微通道，以使单细胞聚束列队依次通过检测区域，所述检测区域流道的尺寸由细胞大小决定。
[0013]更优选地，对于直径为8
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18μm的哺乳动物细胞，所述测量区域流道的宽度和高度均为20μm；在所述测量区域的入口配置有间隔为20μm的柱状阵列作为片上过滤器，并根据伯努利原理，将所述过滤器设计为漏斗状；所述一对平面电极被配置为30μm长，20μm宽和20μm间距。
[0014]优选地，所述微流控器件芯片的微流道层通过软光刻技术制作，利用PDMS倒模形成；所述微流控器件芯片的顶层的平面电极层是通过lift
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off技术图案化到玻璃基底上，用氧等离子体处理并烘烤之后，将所述平面电极层和微通道层对准牢固地键合在一起，接着，所述平面电极与其图案匹配的定制印刷电路板焊接在一起。
[0015]优选地，所述微流控系统中，细胞悬浮液进口出口通过塑料软管与流体驱动装置相连，通过流体驱动装置将细胞悬浮液推注入所述微流控器件芯片顶层的微流道。
[0016]优选地，所述DDS信号发生模块为基于DDS芯片AD9958搭建的四频信号发生器；所述锁定放大器模块包括基于电流运算放大器芯片OPA657搭建的跨阻放大器TIA、基于宽带四象限电压输出乘法器AD835芯片搭建的解调器、具有5KHz截止频率的低通滤波器和由运算放大器OPA227搭建的放大器；所述信号采集模块为连接计算机的数据采集卡；所述多频阻抗测量系统最终输出的直流信号由计算机通过所述数据采集卡以20KHz的采样率进行采
样获取，并在计算机上由时处理算法系统进行后续处理；
[0017]优选地，所述实时处理算法系统基于Python，Matlab和LabView混合编程，其处理过程为：首先通过数字低通滤波器对数据流进行数字滤波，以进一步提高信噪比SNR；随后在Matlab脚本中检测单细胞事件并提取相应的单细胞阻抗峰值；所提取的阻抗峰值通过TCP/IP协议发送到Python节点，以通过训练好的神经网络计算单细胞的本征参数，并将计算结果显示在图形界面中，整个处理过程在实时在线模式下进行。
[0018]根据本专利技术的另一个方面，提供了一种应用上述高通量实时单细胞电学本征参数测量系本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统，其特征在于，包括三个子系统：微流控系统、多频阻抗测量系统和实时处理算法系统；其中，所述微流控系统由微流控器件和进样驱动装置组成，负责完成驱动大量单细胞聚束列队高速通过测量区域；所述多频阻抗测量系统由DDS信号发生模块、锁定放大器模块和信号采集模块组成，负责测量并采集单细胞在多个不同频点下的阻抗值；所述实时处理算法系统由数字滤波算法、事件检测与脉冲提取算法和神经网络回归算法组成，负责实现对阻抗值进行滤波、脉冲检测提取以及实时获取待测单细胞的细胞半径、细胞质电导率和细胞膜单位膜电容这些本征参数。2.根据权利要求1所述的一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统，其特征在于，所述微流控系统中的微流控器件被芯片化设计为微流控器件芯片，所述微流控器件芯片被设计为两层，其中，底层以玻璃作为基底并配置有一对平面电极以进行阻抗检测，顶层配置有聚二甲基硅氧烷PDMS微通道，以使单细胞聚束列队依次通过检测区域，所述检测区域流道的尺寸由细胞大小决定。3.根据权利要求2所述的一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统，其特征在于，对于直径为8
‑
18μm的哺乳动物细胞，所述测量区域流道的宽度和高度均为20μm；在所述测量区域的入口配置有间隔为20μm的柱状阵列作为片上过滤器，并根据伯努利原理，将所述过滤器设计为漏斗状；所述一对平面电极被配置为30μm长，20μm宽和20μm间距。4.根据权利要求2所述的一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统，其特征在于，所述微流控器件芯片的微流道层通过软光刻技术制作，利用PDMS倒模形成；所述微流控器件芯片的顶层的平面电极层是通过lift
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off技术图案化到玻璃基底上，用氧等离子体处理并烘烤之后，将所述平面电极层和微通道层对准牢固地键合在一起，接着，所述平面电极与其图案匹配的定制印刷电路板焊接在一起。5.根据权利要求1
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4任一所述的一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统，其特征在于，所述微流控系统中，细胞悬浮液进口出口通过塑料软管与流体驱动装置相连，通过流体驱动装置将细胞悬浮液推注入所述微流控器件芯片顶层的微流道。6.根据权利要求1所述的一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统，其特征在于，所述DDS信号发生模块为基于DDS芯片AD9958搭建的四频信号发生器；所述锁定放大器模块包括基于电流运算放大器芯片OPA657搭建的跨阻放大器TIA、基于宽带四象限电压输出乘法器AD835芯片搭建的解调器、具有5KHz截止频率的低通滤波器和由运算放大器OPA227搭建的放大器；所述信号采集模块为连接计算机的数据采集卡；所述多频阻抗测量系统最终输出的直流信号由计算机通过所述数据采集卡以20KHz的采样率进行采样获取，并在计算机上由时处理算法系统进行后续处理。7.根据权利要求1所述的一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统，其特征在于，所述实时处理算法系统基于Python，Matlab和LabView混合编程，其处理过程为：首先通过数字低通滤波器对数据流进行数字滤波，以进一步提高信噪比SNR；随后在Matlab脚本中检测单细胞事件并提取相应的单细胞阻抗峰值；所提取的阻抗峰值通过TCP/IP协议发送到Python节点，以通过训练好的神经网络计算单细胞的本征参数，并将计算结果显示在图形界面中，整个处理过程。
8.一种应用根据权利要求1
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7任一所述的一种高通量实时单细胞电学本征参数测量系统实时测量单细胞电学本征参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：流道修饰，具体是将所述微流控器件芯片的微流道用1wt％，即1x PBS的Pluronic F
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127表面活性剂预处理15分钟；步骤S2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文会，丰泳翔，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：