電阻抗檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于材料科學、生命科學、食品安全、疾病診斷等領(lǐng)域。在微流控領(lǐng)域，電阻抗檢測技術(shù)可應(yīng)用于單細胞或微液滴的檢測與分析、生物組織分析、細胞計數(shù)、細胞分選、交流介電電泳（DEP）和生物阻抗測量等。實驗室內(nèi)的微流控電阻抗檢測系統(tǒng)在一定程度上可以看成是由多個不同功能的模塊經(jīng)過有效的有機組合而成的。該檢測系統(tǒng)主要包括五個模塊：微流控電阻抗檢測芯片、微流控芯片進樣泵、流量計或壓力計、電阻抗分析儀/鎖相放大器、光學顯微鏡等，如下圖所示。

對于以上五個模塊的組合，我們在此給出三個微流體電阻抗檢測的連接示例，如下圖1所示。從下圖中可以看到，微流體電阻抗檢測系統(tǒng)的過程為多通道壓力&真空控制器OB1 Mk3+將樣品儲液池內(nèi)的液體推入到微流體毛細導(dǎo)管內(nèi)，然后液體經(jīng)過低流量傳感器MFS后，進入到微流體芯片的通道內(nèi)。電信號測量儀器如MFLI鎖相放大器、HF2LI雙通道鎖相放大器、Moku:Lab多功能測量儀等產(chǎn)生激勵電壓信號，施加到微流體芯片的激勵電極上，微流體芯片的測量電極輸出微弱的電流信號，電流信號經(jīng)過電流放大器或者跨阻放大器并放大后成為電壓信號，電信號測量儀器檢測該電壓信號。

HF2LI雙通道鎖相放大器和OB1多通道壓力控制器及低流量傳感器MFS組成的電阻抗檢測系統(tǒng)

Keysight阻抗分析儀E4990A和OB1多通道壓力控制器及低流量傳感器MFS組成的電阻抗檢測系統(tǒng)

MFLI數(shù)字鎖相放大器和液體驅(qū)動泵組成的電阻抗檢測系統(tǒng)

圖1 三種常見的微流體動態(tài)電阻抗檢測和分選系統(tǒng)連接的實物圖

如下以瑞士蘇黎世儀器的HF2LI雙通道鎖相放大器和OB1多通道壓力控制器及微流控電阻抗芯片為例介紹微流控動態(tài)電阻抗檢測的原理。

圖2 HF2LI鎖相放大器和OB1壓力控制器與微流體電阻抗芯片的連接示意圖

動態(tài)電阻抗檢測可用于測量微流體芯片通道內(nèi)單個粒子的介電特性。以共面三電極的微流控電阻抗芯片為例介紹動態(tài)電阻抗檢測的過程，芯片結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在微流體芯片通道內(nèi)加工三個金屬微電極，其中中間的微電極作為激勵電壓電極，兩端的金屬微電極作為測量電極，用于測量介質(zhì)溶液中單個粒子經(jīng)過時的電流變化。首先，OB1多通道壓力控制器對樣品儲液池內(nèi)的液體施加壓力，液體進入到微流體毛細導(dǎo)管內(nèi)，接著通過低流量傳感器MFS，然后進入到微流體電阻抗芯片的通道內(nèi)。低流量傳感器MFS用于測量流入到微流控芯片通道內(nèi)的液體流量變化，從而避免測量粒子堵塞芯片通道。HF2LI雙通道鎖相放大器輸出一個或多個不同頻率和不同電壓的交流電壓信號，施加到微流控電阻抗芯片的激勵電極上，激勵電極和兩側(cè)的兩個測量電極之間會產(chǎn)生電場，同時，測量電極輸出電流信號。該電流信號通過電流放大器HF2TA或跨阻放大器并被放大，轉(zhuǎn)換為電壓信號。HF2LI雙通道鎖相放大器采用差分測量的方式直接測量該電壓信號。當液體中的粒子經(jīng)過微流控電阻抗芯片的電極區(qū)域時，電場會受到粒子的擾動而產(chǎn)生電流的變化，該電流變化的幅度取決于粒子的尺寸、形狀和介電性質(zhì)。差分測量電壓信號的優(yōu)勢是可以大幅度的抑制各種噪音或干擾信號。HF2LI雙通道鎖相放大器可以同時解調(diào)一個頻率或多個不同頻率的差分電壓信號，從而給出每一個頻率信號的同相分量和正交分量或者幅值和相位值，同時抵制所有其他頻率信號的干擾。所測量的電阻抗的變化可以在本地電腦上的LabOne軟件里的Plotter進行實時觀察且測量的數(shù)據(jù)可直接保存在本地電腦，方便后續(xù)使用MATLAB、Python、Origin、R等軟件進行數(shù)據(jù)的分析處理。

LabOne軟件顯示的動態(tài)差分測量信號的顯示曲線

帶有共面金屬電極的PDMS芯片中產(chǎn)生油包水微液滴，石蠟油為連續(xù)相（含span80表面活性劑），經(jīng)過濾后的去離子水為分散相。產(chǎn)生的微液滴如下視頻所示。

MFLI鎖相放大器采用動態(tài)差分測量方法檢測PDMS芯片中產(chǎn)生的微液滴視頻如下所示。

微流控細胞或細菌的動態(tài)檢測應(yīng)用的介紹

參考文獻

Ismail Bilican, Tolga Bahadir, Kemal Bilgin, Mustafa Tahsin Gulerbe, Alternative screening method for analyzing the water samples through an electrical microfluidics chip with classical microbiological assay comparison of P. aeruginosa, Talanta, June 15, 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.talanta.2020.121293

Ismail Bilican, Mustafa Tahsin Guler, Murat Serhatlioglu, Talip Kirindi, Caglar Elbuken, Focusing-free impedimetric differentiation of red blood cells and leukemia cells: A system optimization, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 307, 15 March 2020, DOI: https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127531

Caglar Elbuken, et al, Impedimetric Cell Detection using Microfluidic Viscoelastic Focusing, International Journal of Engineering Research and
Development, 2019, 11(2), DOI: https://doi.org/10.29137/umagd.532269