微流控芯片技术及其在单细胞分析中的应用--单细胞力学&电学特性检测与微流控技术

王棵，博士，北京邮电大学讲师。毕业于湖南大学电子科学与技术专业，获工学学士学位，2019年毕业于中国科学院空天信息创新研究院微电子学与固体电子学专业，获工学博士学位。2020年进入北京邮电大学工作。主要研究方向为微机电系统（MEMS）、微流控芯片技术、单细胞分析等。主持国家自然科学基金青年科学基金项目及多项省部级项目，先后参与多项国家J和省部级科研项目。

第1章 绪论…

1.1背景与意义

1.2本书内容与章节安排

第2章单细胞力学与电学特性常规检测技术

2.1单细胞操纵

2.1.1直接接触式操纵

2.1.2非直接触式操纵

2.2常规单细胞力学特性检测技术

2.2.1原子力显微镜技术

2.2.2微吸管技术

2.2.3光镊技术

2.3常规的单细胞电学特性检测技术

2.3.1膜片钳技术

2.3.2电旋转技术

2.3.3介电泳技术

2.4本章小结…

第3章微流控技术

3.1微流控技术概述…

3.2微流控芯片常用材料·

3.3微流控芯片中的硅与硅酸盐类基片的制备工艺

3.3.1 光刻

3.3.2刻蚀方法及特性

3.3.3去胶方法

3.3.4薄膜与薄膜淀积

3.3.5光刻掩膜版

3.3.6硅、玻璃和石英芯片的打孔方法

3.3.7硅、玻璃和石英芯片的键合流程

3.4微流控芯片中的高分子聚合物的制备工艺

3.4.1高分子聚合物内微结构构建

3.4.2高分子聚合物芯片的打孔方法

3.4.3高分子聚合物芯片的键合流程

3.5本章小结

第4章连续式微吸管用于肿瘤单细胞力学特性检测

4.1原理与方法

4.2单细胞黏度检测的力学模型…

4.3实验关键参数与数据处理方法

4.4连续式微吸管用于细胞质黏度检测的方法实现

4.4.1材料与设备

4.4.2微吸管实验关键参数

4.4.3细胞处理

4.4.4细胞质黏度测量与数据处理

4.5结果与分析

4.6本章小结

第5章“一字形”压缩微流控通道用于细胞核力学特性检测

5.1原理与方法

5.2压缩通道关键尺寸

5.3实验关键参数

5.4“一字形”压缩通道用于细胞核力学特性检测的方法实现·

5.4.1方法概述

5.4.2材料与设备

5.4.3微流控芯片工艺实现

5.4.4细胞处理

5.4.5测量细胞核力学特性检测与数据处理

5.5结果与分析

5.6本章小结

第6章“一字形”压缩微流控通道用于白细胞电学特性检测

6.1原理与方法

6.2压缩通道关键尺寸・

6.3单细胞等效电学模型

6.4实验关键参数

6.5“一字形”压缩通道用于白细胞电学特性检测方法实现

6.5.1方法概述

6.5.2材料与设备

6.5.3细胞处理

6.5.4白细胞电学特性检测与数据处理

6.6结果与讨论

6.7本章小结

第7章单细胞力学与电学特性检测分析仪

7.1基于“一字形”压缩通道的单细胞力学与电学特性检测分析仪

7.2仪器硬件系统…

7.2.1微流控芯片模块

7.2.2压力控制模块

7.2.3阻抗分析模块

7.2.4图像采集模块

7.3数据采集控制平台

7.4数据处理

7.4.1数据处理平台

7.4.2结果计算与输出模块

7.5五种肿瘤细胞系力学与电学高通量同时检测

7.5.1关键参数

7.5.2五种肿瘤细胞系的力学与电学高通量同时检测

7.5.3结果与分析

7.6本章小结

第8章“十字形”压缩微流控通道用于单细胞力学特性检测

8.1单细胞力学特性高通量检测原理与方法.

8.2 压缩通道结构与关键尺寸

8.2.1压缩通道结构

8.2.2压缩通道关键尺寸

8.3牛顿液滴力学模型建立

8.3.1细胞在“十字形”压缩通道总的基本假设·

8.3.2牛顿液滴力学模型建立和细胞质黏度计算

8.4基于“十字形”压缩通道的单细胞力学特性高通量检测方法实现

8.4.1方法概述

8.4.2材料与设备

8.4.3细胞处理

8.4.4微流控芯片工艺实现

8.4.5数据采集与处理

8.5结果分析·

8.6本章小结

第9章“十字形”压缩通道用于单细胞电学特性检测

9.1单细胞电学特性高通量检测原理与方法

9.2压缩通道结构与关键尺寸

9.2.1压缩通道结构

9.2.2压缩通道关键尺寸

9.3细胞等效电学模型建立与电学测量方法

9.3.1电学仿直与电学模型建立

9.3.2电学检测方法…

9.4基于“十字形”压缩通道的单细胞电学特性高通量检测方法实现

9.4.1方法概述・

9.4.2材料与设备

9.4.3细胞处理

9.4.4微流控芯片工艺实现

9.4.5数据采集及处理

9.5结果与分析·

9.6本章小结

第10章其他基于微流控技术的单细胞力学与电学检测技术·

10.1微流控技术与单细胞力学特性检测

10.2微流控技术与单细胞电学特性检测

10.3微流控技术与单细胞多参数特性同时检测

10.4本章小结

第11章总结与展望·

参考文献

1.1背景与意义

1665年，英国科学家R.Hooke发现了细胞，他在自制的显微镜下观察植物组织，发现这些组织是由一个个紧密排列的小格子组成，于是将组成组织的这些小的单位定名为“cell”（英文直译为格子）。从此，人类对于细胞的研究就从未停止。1838年，德国植物学家M.J.Schleiden提出了“所有植物都是由细胞组成的，细胞是植物各种功能的基础”的学说。1839年，受到M.J.Schleiden的启发，德国动物学家T.A.H.Schwaann提出所有的动物也是由细胞构成的。1855年，德国病理学家R.C.Virchow提出所有的细胞必定来自别的活的细胞[11。作为生命体的基本结构与功能单位，在生命体的生命活动过程中，不断伴随着细胞的增殖、迁移、侵袭与分化[2]，而细胞的状态直接或间接地反映了生命体的状态。

然而，之前的细胞研究方法主要针对群体细胞，其结果是细胞群体的平均结果[3-5]，这样的结果往往会掩盖单个细胞间存在的差异[3]。在很多情况下，在单细胞分辨率下得到的数据能更真实地反映细胞状态与细胞间差异。近年来，单细胞分辨率下的细胞生理学、病理学研究已成为热点[6.71，如2017年发表于《Nature Communications》的文章基于单细胞层面发现了有丝分裂成圆基因与其力学表型的联系，发现力学表型是研究细胞形态控制的有效方法[8]；2018年发表于《Nature 》的文章报道了基于单细胞分析对呼吸道上皮细胞间异质性的研究[9]；

2019年《Nature》报道了在单细胞分辨率下对小胶质神经细胞进行的研究，发现了人类与小鼠的小胶质神经细胞在神经变性行为中的都存在单细胞间差异[10]。

人类在真理的发现过程中少不了各种工具与方法的帮助，同样地，在对单细胞的研究中也少不了各种工具与方法。现有的单细胞分析方法主要可以分为单细胞生物化学和生物物理学特性检测，其中，相比单细胞生物化学检测方法，单细胞生物物理学特性检测具有低成本与免标记的优势，近年来成了研究的热点。单细胞生物物理特性检测包括了单细胞的力学特性和电学特性检测[11]。

单细胞的力学特性主要决定于细胞内的细胞骨架、细胞膜、细胞核等结构，其特征量包括单细胞杨氏模量、单细胞质黏度、单细胞核硬度等参数[12]，如图1.1所示。单细胞力学特性与细胞功能状态之间存在着内在的必然联系，在一定程度上反映了细胞的功能状态。2012年发表于《Nature》的文章发现细胞癌变过程中存在细胞骨架和细胞膜蛋白的变化，表现为细胞力学、电学特性的相应改变[1]；2015年发表于《Journal ofBiomechanics》的文章报道了肝磨细胞的转移潜能与其杨氏模量具有一定联系，证明杨氏模量有望用于细胞转移潜能的评估o2018年发表于《Nature Merhods》的文章指出有丝分裂的细胞的力学特性会发生变化，此外，细胞核的力学特性也能反映细胞的生理与病理状态，已有文献报道了单细胞核的力学特性与多种疾病的关系，如癌症[16]、心肌病、早衰等[16.17。

细胞的电学特性主要与细胞膜的双层磷脂结构的电容性和细胞质的导电性有关，其特征量包括了细胞膜比电容、细胞质电导率、细胞膜介电常数等[18]，如图1.1所示。同样，单细胞电学特性与细胞功能状态也有着千丝万缕的联系，如：2013年发表于《LabonaChip》的文章发现恶性疟原虫感染的红细胞与未感染的红细胞有显著的电学特性差异[19]；2014年发表于《Biomicrofluidics》的文章使用介电泳技术测量间质干细胞的电学特性，发现用一种共聚物可以控制间质干细胞形态，增加其细胞膜的电容[2a]；2017年发表于《Biophysical Journal》的文章报道了五种细胞系的具有区分性的电学特性参数，结果说明细胞电学特性检测具有潜在应用价值[21]。

真核细胞的直径分布范围是5～30μm，对于一块体积小到1mm3的细胞组织，若以细胞直径15μm计算，其内部包含的单细胞数目约为50万，面对拥有如此之小的体积、如此之大的样本量，如何实现单细胞力学和电学特性的准确和快速检测成了科学工作者们亟待解决的

问题。