2仿真結果與討論

2.1非檢測電極設置懸浮和接地的EIS檢測靈敏度比較

圖3非檢測電極的不同設置對C11子細胞剪切的影響

如圖3(a)、圖3(b)所示，非檢測電極設置成懸浮和接地時，C11子細胞剪切造成的ΔAr隨行列間距變化的趨勢相似，整體上隨著行列間距增大而逐漸增大。非檢測電極接地時，C11子細胞剪切產(chǎn)生的ΔAr更大，其EIS檢測靈敏度更高。因此，后續(xù)的仿真實驗中非檢測電極均設置為接地。

2.2響應電流的組成及分布

如圖4(a)、圖4(b)所示，響應電極R1記錄的響應電流I1由4部分構成，依次記為Ia、Ib、Ic、Id。其中，只有部分Ia流經(jīng)C11所在的捕獲檢測單元，因此只有Ia反映母細胞C11的幾何尺寸信息。響應電流I1中Ia所占的比重越大，對于母細胞C11的檢測靈敏度越高。Ib流經(jīng)C12所在的捕獲檢測單元，因此C12細胞存在與否主要影響Ib，進而對響應電流I1造成影響。C12細胞的存在使其所在捕獲檢測單元處的電阻抗提高，Ib減小，因此響應電流I1減小。C21細胞存在時其所在捕獲檢測單元處的電阻抗提高，造成Ic、Id增大，因此響應電流I1增大。

圖4響應電流的分布及組成

如圖5所示，總體上，響應電流I1隨著行列間距的增大而減小。在行列間距為200μm～300μm時，響應電流I1幾乎不隨行列間距的變化而變化。這是由于此時行列間距已經(jīng)足夠大，Ib、Ic、Id較小，響應電流I1主要由Ia組成，此時對酵母細胞C11的EIS檢測靈敏度較高。

圖5響應電流的幅值變化圖

2.3鄰近細胞對響應電流的影響

非檢測電極設為接地，仿真研究不同行列間距組合中單個鄰近細胞存在與否以及待測子細胞剪切造成的ΔAr。圖6(a)～圖6(e)分別反映了待測細胞C11的鄰近細胞C12、C13、C21、C31、C22存在時響應電流相對幅值ΔAr隨行列間距的變化。如圖6(a)、圖6(b)所示，總體上來看，隨著列間距的增大，C12細胞的存在造成了ΔAr顯著減小。由于C12細胞主要影響Ib，當行列間距均在100μm以下時，Ib在I1中所占比重較小，Ib的變化并未引起響應電流的顯著變化，因此ΔAr較小。隨著行間距的增大，Ic、Id逐漸減小，響應電流中Ib所占比重逐漸增大，因此ΔAr逐漸增大。C13細胞的存在引起ΔAr的變化相對于C12細胞的存在小一個數(shù)量級，因此其影響可以忽略。如圖6(c)、圖6(d)所示，隨著行間距的增大，C21細胞的存在引起ΔAr顯著減小。這是由于C21主要影響Ic、Id，隨著行間距的增大，Ic、Id逐漸減小，因此ΔAr也逐漸越小。C31細胞的存在引起ΔAr的變化相對于C21細胞的存在小一個數(shù)量級，因此其影響也可忽略。如圖6(e)所示，C22細胞的存在引起ΔAr的變化比C12、C21細胞的存在小1到2個數(shù)量級，其影響忽略。待測細胞C11的子細胞剪切引起ΔAr的變化如圖6(f)所示?？傮w上，隨著行列間距的增大，C11子細胞剪切的檢測靈敏度逐漸增大。

圖6鄰近細胞的存在及待測細胞子細胞剪切對待測響應電流的影響

由以上分析可知，與待測細胞同行或同列的鄰近細胞對響應電流的影響隨著列間距或行間距的增加而顯著下降，并且最鄰近的細胞對響應電流的影響要遠大于較遠處的細胞。與待測細胞不同行不同列的細胞對響應電流的影響可忽略。因此在確定合適的行列間距時只考慮C12、C21細胞的存在對ΔAr的影響，分別將其與C11的子細胞剪切造成的ΔAr比較。行列間距越大，鄰近細胞對于響應電流的影響越小，目標細胞的檢測靈敏度越高。然而捕獲檢測單元的行列間距過大會降低酵母單細胞的捕獲效率以及芯片的集成度。因此，綜合考慮檢測靈敏度以及芯片集成度，選擇列間距為100μm、行間距為125μm作為捕獲檢測陣列的設計參數(shù)。此行列間距下，C12、C21細胞存在與否以及C11子細胞剪切造成的ΔAr分別為1.78×10-4、6.85×10-4、4.66×10-3。與C11子細胞剪切造成的EIS信號變化(4.66×10-3)相比，鄰近細胞對于響應電流相對幅值的影響在其15%以下，因此預期可實現(xiàn)對待測出芽酵母子細胞剪切事件的準確檢測。

3總結

在本研究中，我們提出了可用于出芽酵母細胞電阻抗檢測的集成微電極陣列微流控芯片的設計結構，并建立了三維有限元模型，重點研究了微電極陣列的行列間距對細胞電阻抗檢測靈敏度的影響。通過有限元模型仿真計算中對捕獲檢測單元的行列間距進行了參數(shù)化掃描，分析了微電極陣列中待測響應電流的分布及組成，并研究了鄰近細胞對于待測響應電流的影響，確定了有效檢測待測出芽酵母子細胞剪切所需的最小行列間距組合。所提出的集成微電極陣列微流控芯片有望用于基于電阻抗譜技術的高通量酵母單細胞復制衰老及壽命檢測，建立的有限元模型及仿真分析結果為微流控芯片的設計及優(yōu)化改進提供了重要參考。