細(xì)胞電特性測(cè)量系統(tǒng)

微電極結(jié)構(gòu)開發(fā)的進(jìn)展已導(dǎo)致使用非均勻交流電場(chǎng)對(duì)細(xì)胞，微生物和其他生物顆粒進(jìn)行介電電泳表征和分選的新技術(shù)。 這些方法利用了細(xì)胞的介電極化率的差異來實(shí)現(xiàn)其有效性，控制這些性質(zhì)的因素包括膜和任何細(xì)胞壁的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，與表面電荷相關(guān)的雙電層，細(xì)胞形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 介電泳的應(yīng)用包括細(xì)菌，活細(xì)胞和不活細(xì)胞，癌細(xì)胞和正常細(xì)胞以及紅細(xì)胞和白細(xì)胞的混合物的選擇性空間操縱和分離。

1. 系統(tǒng)介紹

該3DEP系統(tǒng)是突破性新技術(shù)
介電泳技術(shù)雖已發(fā)展數(shù)十年，但由于傳統(tǒng)介電泳普遍為2D，需在單一樣本內(nèi)改變頻率做數(shù)小時(shí)以上的觀測(cè)，且由于能放置細(xì)胞數(shù)量少，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)變異性大，跨入門坎高。
3DEP整合了微電極微孔槽芯片、光學(xué)感應(yīng)偵測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)信號(hào)擷取系統(tǒng)及自動(dòng)化分析軟件等，將介電泳此一技術(shù)商品化進(jìn)入市場(chǎng)；不但操作門檻降低，更有高度的穩(wěn)定性與再現(xiàn)性，讓介電泳細(xì)胞分析從理論變成真實(shí)可靠的應(yīng)用。


該3DEP系統(tǒng)專利芯片設(shè)計(jì)
拋棄式的芯片設(shè)計(jì)讓實(shí)驗(yàn)之間不會(huì)有交叉污染的機(jī)會(huì)；樣本的分析小到病毒微粒，大到心肌細(xì)胞都適用，整個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本不需標(biāo)定也不會(huì)傷害樣本。
實(shí)驗(yàn)時(shí)20個(gè)孔洞同時(shí)給與不同頻率進(jìn)行偵測(cè)，只需數(shù)秒就可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，跳脫了過往費(fèi)時(shí)費(fèi)工的限制；3D孔洞的設(shè)計(jì)可放入大量的樣本，以明暗度的變化來量化DEP-Force，使實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性與再現(xiàn)性達(dá)到可商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)。


該3DEP系統(tǒng)自動(dòng)化分析軟件
20個(gè)孔洞中的明暗度變化直接換算為DEP-Force，中間省略繁瑣的物理公式。由環(huán)境導(dǎo)電度與電場(chǎng)強(qiáng)度、大小等參數(shù)的固定之下，軟件會(huì)自動(dòng)進(jìn)一步計(jì)算出細(xì)胞膜導(dǎo)電度（membrane conductance）、細(xì)胞膜電容度（membrane capacitance）、細(xì)胞質(zhì)導(dǎo)電度（cytoplasm conductivity）和細(xì)胞質(zhì)介電度（cytoplasm permittivity），讓細(xì)胞在介電泳下的分析獲得更多的信息。

該3DEP系統(tǒng)是一種細(xì)胞分析系統(tǒng)，可同時(shí)分析數(shù)千個(gè)細(xì)胞，并產(chǎn)生可確定其電特性的輸出。 它包括一個(gè)可放入細(xì)胞以進(jìn)行分析的一次性芯片，以及一個(gè)裝有已裝載的芯片的讀取器。 然后，這種革命性的裝置使用了一種稱為介電電泳（簡(jiǎn)稱DEP）的現(xiàn)象，可在10秒內(nèi)分析多達(dá)20,000個(gè)細(xì)胞。3DEP是市場(chǎng)上款能夠測(cè)量細(xì)胞群體電特性的儀器。

該系統(tǒng)是個(gè)的、功能更強(qiáng)大的、更簡(jiǎn)單的技術(shù)細(xì)胞介電電泳分析系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于干細(xì)胞的分化、癌細(xì)胞及細(xì)菌抗性的檢測(cè)、癌細(xì)胞凋亡的快速檢測(cè)、病毒顆粒的特性檢測(cè)、水質(zhì)的檢測(cè)、酵母細(xì)胞的存活狀態(tài)快速檢測(cè)，穿膜藥物對(duì)血細(xì)胞的影響等。

2. 基本原理

細(xì)胞在高頻不均勻電場(chǎng)作用下產(chǎn)生極化，不同的細(xì)胞由于介電特性、電導(dǎo)率、形狀不同而感應(yīng)出不同的偶電極，因此受到不同介電力的作用.

（如圖1.所示）。

圖1.電場(chǎng)變化對(duì)微粒產(chǎn)生不同的作用力

PositiveDEP-正介電泳力，Negative DEP-負(fù)介電泳力

3.  系統(tǒng)亮點(diǎn)概述

通過測(cè)量細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度，可得到細(xì)胞的介電特性；可對(duì)細(xì)胞進(jìn)行無物理接觸的選擇性操縱、定位、分離。

3.1對(duì)細(xì)胞進(jìn)行無物理接觸操縱、定位、分離。

     對(duì)細(xì)胞無損傷，保證細(xì)胞后續(xù)實(shí)驗(yàn)安全

  3.2無需試劑或其他添加劑

     既節(jié)約日后的使用成本，又能保證細(xì)胞不收試劑的干擾，保證實(shí)驗(yàn)細(xì)胞的原生態(tài)。

3.3功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)單，快速

 3DEPtech是目前的介電電泳分析系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，應(yīng)用涉及新藥研發(fā)、樣品準(zhǔn)備、診斷、體外細(xì)胞毒性檢測(cè)等方面，操作簡(jiǎn)單，只需簡(jiǎn)單的三個(gè)步驟。傳統(tǒng)的介電電泳使用的是微組裝設(shè)備，只能一次分析一個(gè)樣品，耗時(shí)2-3 h，而3DEPtech 使用的是配套的DEP-well多孔板，一次能同時(shí)分析20個(gè)樣品，只需要10 s。另外相比于傳統(tǒng)的細(xì)胞介電電泳分析系統(tǒng)，3DEPtech增加了電極的面積，增加了檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖3.DEP-Well使用

3.4完全無需化學(xué)標(biāo)記，測(cè)后樣品無損傷，保證繼續(xù)后續(xù)操作

   傳統(tǒng)的分子標(biāo)記方法是檢測(cè)細(xì)胞的化學(xué)變化，而DEP對(duì)細(xì)胞的生理變化比較敏感，如細(xì)胞胞質(zhì)的離子成分和組成，膜電位，膜電導(dǎo)，細(xì)胞形態(tài)、大小、形狀等，這些變化做標(biāo)記比熒光標(biāo)簽更有優(yōu)勢(shì)，能更快更早更準(zhǔn)確的檢測(cè)出細(xì)胞的變化，費(fèi)用更低；DEP檢測(cè)細(xì)胞的生理變化，操作對(duì)細(xì)胞樣品完全無損傷，操作后可以收回繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，減少了重復(fù)制備樣品的繁雜步驟。

3.5 DEP-well采用的光譜技術(shù)。

    3DEP是一種新的光密度檢測(cè)系統(tǒng)，DEP-well技術(shù)核心是DEP光譜技術(shù)，光譜信號(hào)可以提供很多細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)的信息，可以檢測(cè)細(xì)胞在電場(chǎng)中的變化，是細(xì)菌或細(xì)胞極化的指標(biāo)，根據(jù)細(xì)胞或細(xì)菌的性狀不同，光譜范圍可以調(diào)整，增大了實(shí)用性，可以檢測(cè)不同的生物顆粒，簡(jiǎn)化了操作步驟及減少了費(fèi)用，可以直接檢測(cè)樣品的生理變化，減少了假陽(yáng)性或假陰性的產(chǎn)生。

圖4.DEP光譜

A typical DEP spectrum. Analysis allowsdetermination of the membrane resistance (blue) and capacitance (red), andcytoplasm conductivity (lime).

3.6一次性DEP-well 多孔設(shè)計(jì)，無交叉污染風(fēng)險(xiǎn)

設(shè)備使用的DEP-well是與設(shè)備配套的多孔板，使用新方法設(shè)計(jì)，價(jià)格便宜，一次性使用，不用擔(dān)心交叉污染的問題，可以一次測(cè)取不同的樣品，每個(gè)樣品設(shè)置多個(gè)平行對(duì)照；應(yīng)用范圍比較廣泛涉及到生物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)畜業(yè)、制藥等領(lǐng)域，應(yīng)用細(xì)胞凋亡、干細(xì)胞分化、腫瘤細(xì)胞的檢測(cè)。

3.7高通量連續(xù)快速分離不同細(xì)胞，進(jìn)行細(xì)胞分選。

不同的細(xì)胞性狀不同，在電場(chǎng)中被極化產(chǎn)生的介電力的方向和大小也不同，根據(jù)介電電泳原理，利用3DEPtech就可以快速分離不同的細(xì)胞，達(dá)到對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分選的目的；此設(shè)備分離細(xì)胞的效率達(dá)到mL/min，可以根據(jù)使用者的需求調(diào)整。

圖5.微粒的分離

4. 應(yīng)用領(lǐng)域

5. 主要參數(shù)

主要檢測(cè)指標(biāo)：細(xì)胞形態(tài)，細(xì)胞膜變化、細(xì)胞質(zhì)導(dǎo)電率，細(xì)胞膜表面電導(dǎo)率及電容

芯片：1.0mm一次性芯片（20片裝），每片20孔，每孔可容納1000個(gè)細(xì)胞
芯片體積：<150μL

頻率范圍：0.5kHz到45Mhz
幅度：0 – 20 V peak to peak

電    壓：交流電壓

檢測(cè)時(shí)間：10s

檢測(cè)方式：一次多孔檢測(cè)，采用光譜技術(shù)，DEP Reader讀取

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