近年來(lái)，隨著(zhù)多學(xué)科交叉的深入發(fā)展及微納加工技術(shù)的進(jìn)步，微流控技術(shù)在生命科學(xué)、醫學(xué)檢測領(lǐng)域得到廣泛應用。由于微流控芯片具有小型化的特點(diǎn)，特征尺寸與細胞尺度相近、成本低、結構設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(chēng)為出芽酵母，作為一種重要的模式生物，在現代生物學(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的研究平臺。

目前，微流控芯片中酵母細胞的監測方法主要是光學(xué)顯微成像技術(shù)。通過(guò)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(cháng)速率、子細胞剪切等信息。利用熒光蛋白標記亞細胞結構(液泡、細胞核、線(xiàn)粒體等)，還能獲得酵母細胞內部結構的動(dòng)態(tài)變化。然而，高分辨率時(shí)序顯微成像技術(shù)的通常需要熒光標記，對細胞的正常生理過(guò)程存在一定的影響；此外，大批量的圖像處理耗時(shí)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(wú)需熒光標記、快速檢測、多參數讀取等特點(diǎn)。電阻抗譜檢測功能可通過(guò)微電極集成在微流控芯片中，通過(guò)檢測單細胞的介電特性表征細胞尺寸、生長(cháng)狀態(tài)等。例如，Haandbaek等在微流控芯片中集成微電極，并根據電阻抗信號對流經(jīng)微流體通道的酵母細胞的出芽狀態(tài)進(jìn)行區分。Zhu等提出一種可以捕獲酵母單細胞的微流控芯片，并通過(guò)電阻抗對單個(gè)出芽酵母的生長(cháng)及運動(dòng)進(jìn)行監測、區分。然而，現有的研究成果還無(wú)法實(shí)現對出芽酵母的高通量、長(cháng)時(shí)間的EIS監測。因此，用于出芽酵母長(cháng)時(shí)間培養、原位時(shí)序電阻抗監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構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，根據仿真分析結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微流控芯片的結構及工作原理

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-剪切結構等組成。微電極陣列是酵母細胞EIS檢測的核心結構。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-剪切結構則分布于每個(gè)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-剪切結構上下游分別形成長(cháng)為15μm，寬為8μm的圓角矩形開(kāi)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擾，提高電阻抗檢測的靈敏度。每個(gè)捕獲-剪切結構以及與之對應的絕緣層開(kāi)孔處的微電極對即為一個(gè)酵母細胞的捕獲檢測單元。相鄰捕獲檢測單元的列間距設為Δx、行間距設為Δy。如圖1(b)、圖1(c)所示，捕獲-剪切結構由2根對稱(chēng)的SU-8微柱組成，微柱高為8.3μm，2根微柱的下游開(kāi)孔寬度為3μm，與上下游氮化硅開(kāi)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微流控芯片幾何結構圖

如圖1(b)所示，出芽酵母細胞以出芽方式進(jìn)行增殖。母細胞被流體動(dòng)力固定在捕獲-剪切結構中，子細胞在下游開(kāi)孔外出芽生長(cháng)，并最終被流體剪切去除。SU-8捕獲-剪切結構、被捕獲的出芽酵母細胞以及周?chē)呐囵B液構成一個(gè)等效電路系統，酵母細胞的生長(cháng)以及子細胞的剪切均會(huì )改變系統的電阻抗。通過(guò)捕獲檢測單元上下游的微電極對可以實(shí)現對系統電阻抗的檢測，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電極的電流響應，基于歐姆定律計算出系統的電阻抗。幅值、頻率一定的激勵信號記為，響應電流記為，則該系統的復阻抗為:

對捕獲檢測單元中的出芽酵母進(jìn)行電阻抗檢測時(shí)，施加激勵信號至與之對應的列電極，并檢測相應行電極的響應電流信號。按照行列尋址的方式選擇不同的行列電極組合，能夠實(shí)現陣列中所有出芽酵母的電阻抗檢測。根據式(1)，在激勵信號不變的情況下，響應電流的變化能夠反映系統復阻抗的變化，進(jìn)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。