[發(fā)明專利]一種高通量實時單細胞電學本征參數(shù)測量系統(tǒng)及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110821829.8
• 申請日: 2021-07-19
• 公開（公告）號: CN113567326A
• 公開（公告）日: 2021-10-29
• 發(fā)明（設計）人: 王文會;豐泳翔
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N15/10
• 分類號: G01N15/10;B01L3/00
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產(chǎn)權代理有限公司 11246
• 代理人: 陳波

1.一種高通量實時單細胞電學本征參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，包括三個子系統(tǒng)：微流控系統(tǒng)、多頻阻抗測量系統(tǒng)和實時處理算法系統(tǒng)；

其中，所述微流控系統(tǒng)由微流控器件和進樣驅(qū)動裝置組成，負責完成驅(qū)動大量單細胞聚束列隊高速通過測量區(qū)域；

所述多頻阻抗測量系統(tǒng)由DDS信號發(fā)生模塊、鎖定放大器模塊和信號采集模塊組成，負責測量并采集單細胞在多個不同頻點下的阻抗值；

所述實時處理算法系統(tǒng)由數(shù)字濾波算法、事件檢測與脈沖提取算法和神經(jīng)網(wǎng)絡回歸算法組成，負責實現(xiàn)對阻抗值進行濾波、脈沖檢測提取以及實時獲取待測單細胞的細胞半徑、細胞質(zhì)電導率和細胞膜單位膜電容這些本征參數(shù)。

2.根據(jù)權利要求1所述的一種高通量實時單細胞電學本征參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述微流控系統(tǒng)中的微流控器件被芯片化設計為微流控器件芯片，所述微流控器件芯片被設計為兩層，其中，底層以玻璃作為基底并配置有一對平面電極以進行阻抗檢測，頂層配置有聚二甲基硅氧烷PDMS微通道，以使單細胞聚束列隊依次通過檢測區(qū)域，所述檢測區(qū)域流道的尺寸由細胞大小決定。

3.根據(jù)權利要求2所述的一種高通量實時單細胞電學本征參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，對于直徑為8-18μm的哺乳動物細胞，所述測量區(qū)域流道的寬度和高度均為20μm；在所述測量區(qū)域的入口配置有間隔為20μm的柱狀陣列作為片上過濾器，并根據(jù)伯努利原理，將所述過濾器設計為漏斗狀；所述一對平面電極被配置為30μm長，20μm寬和20μm間距。

4.根據(jù)權利要求2所述的一種高通量實時單細胞電學本征參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述微流控器件芯片的微流道層通過軟光刻技術制作，利用PDMS倒模形成；所述微流控器件芯片的頂層的平面電極層是通過lift-off技術圖案化到玻璃基底上，用氧等離子體處理并烘烤之后，將所述平面電極層和微通道層對準牢固地鍵合在一起，接著，所述平面電極與其圖案匹配的定制印刷電路板焊接在一起。

5.根據(jù)權利要求1-4任一所述的一種高通量實時單細胞電學本征參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述微流控系統(tǒng)中，細胞懸浮液進口出口通過塑料軟管與流體驅(qū)動裝置相連，通過流體驅(qū)動裝置將細胞懸浮液推注入所述微流控器件芯片頂層的微流道。

6.根據(jù)權利要求1所述的一種高通量實時單細胞電學本征參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述DDS信號發(fā)生模塊為基于DDS芯片AD9958搭建的四頻信號發(fā)生器；所述鎖定放大器模塊包括基于電流運算放大器芯片OPA657搭建的跨阻放大器TIA、基于寬帶四象限電壓輸出乘法器AD835芯片搭建的解調(diào)器、具有5KHz截止頻率的低通濾波器和由運算放大器OPA227搭建的放大器；所述信號采集模塊為連接計算機的數(shù)據(jù)采集卡；所述多頻阻抗測量系統(tǒng)最終輸出的直流信號由計算機通過所述數(shù)據(jù)采集卡以20KHz的采樣率進行采樣獲取，并在計算機上由時處理算法系統(tǒng)進行后續(xù)處理。

7.根據(jù)權利要求1所述的一種高通量實時單細胞電學本征參數(shù)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述實時處理算法系統(tǒng)基于Python，Matlab和LabView混合編程，其處理過程為：首先通過數(shù)字低通濾波器對數(shù)據(jù)流進行數(shù)字濾波，以進一步提高信噪比SNR；隨后在Matlab腳本中檢測單細胞事件并提取相應的單細胞阻抗峰值；所提取的阻抗峰值通過TCP/IP協(xié)議發(fā)送到Python節(jié)點，以通過訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡計算單細胞的本征參數(shù)，并將計算結果顯示在圖形界面中，整個處理過程。