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。

 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。

 微流控电阻抗检测芯片

 微流体芯片是微流控实验不可缺少的一个核心组件，而且也是实验创新的主要部分。对于特定的应用研究，需要采用特定材质及不同通道结构的微流体芯片。微流体芯片的材质目前主要有玻璃、聚合物及PDMS，而芯片的通道结构会涉及到通道的几何形状、深宽比、表面修饰、键合方式等内容。目前，电阻抗检测芯片最为常见的是PDMS-玻璃芯片、玻璃-玻璃芯片。采用光刻剥离和磁控溅射技术可将金属微电极加工在玻璃的表面。

（1）现有PDMS电极芯片的类型有：

       •“十”字交叉型的微液滴检测芯片

      适当调节连续相和分散相的液体流速，可在芯片的“十”字交叉处快速产生微液滴。微液滴的生成频率可通

过电阻抗检测技术进行实时计数，而液滴尺寸的变化可通过电阻抗检测数据进行统计分析得到。

    “十”字交叉型微液滴检测芯片可用于常规微液滴的制备与检测，细胞或病毒包裹的微液滴制备与检测，无

机纳米颗粒包裹的微液滴制备与检测等。

       •  溶液混合的检测芯片

       将两种或多种不同的溶液同时或按时先后顺序通入芯片通道内，通过电阻抗检测技术测量溶液的阻抗变化，

由此间接的判断不同种溶液的扩散性或化学反应程度。

       溶液混合的芯片主要用于研究两种不同溶液间的扩散程度，不同溶液发生化学反应的过程等。

       •  介电谱测量的检测芯片

       将不同性质的液体或同种性质的液体推入芯片通道内，通过阻抗测量技术测量溶液的介电谱，通过介电常数

的变化来研究溶液或粒子等的化学性质的变化。

       介电谱测量芯片可用于生物细胞（红细胞、酵母细胞、大肠杆菌、藻细胞等）悬浮液的测量，生物组织/生

物大分子溶液的测量，表面活性剂胶束体系的测量以及反胶束与微乳液体系的测量等。

（2）玻璃电阻抗检测芯片

 由于玻璃具有良好的光学透过性，有利于光学显微镜观察玻璃芯片通道的形貌，因此，玻璃电阻抗检测芯片常被应用于细胞鉴别与计数、微生物种群鉴别、血液检测等方面。玻璃通道上部和底部的制作的两对对面电极的电阻抗芯片[8]，如下图所示。

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。

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。此外，本文介绍一块迷你型的倒置荧光显微镜SVM340视频显微镜，如下图所示。

  除了以上介绍的五个部分，还需要不同规格的毛细管、转接头、Pt或Au电极、导电银浆、环氧树脂胶等配件，把微流控芯片与微流控芯片进样泵和流量计等连接在一起，形成一条完整的检测通路。

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、MFLI锁相放大器/HF2IS阻抗谱仪/HF2LI锁相放大器、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