微流控芯片内光镊辅助分析细胞介电泳行为的新方法研究

Dielectrophoresis (DEP)-based microfluidic chip for cell manipulation is based on the mechanism that cells in a non-uniform electric field move under the DEP force and could achieve high-throughput, low-cost and fast cell capture, separate and transport. The DEP chip has acquired wide applications in various research fields such as life science and medical diagnosis. A systematical characterization for DEP behavior of cells in a microfluidic chip, which contains the type, orientation and magnitude of the DEP force, is the premise and foundation of study on various DEP chips. However, the most used method for analyzing DEP behavior of cells is based on a formula calculation and it has the drawbacks of complex operative procedure and low accuracy. It is difficult to meet the actual research demands for chip design, performance optimization and applications. Thus, the main research content of the present project is to establish a standard optical tweezer-assisted approach to characterize the DEP behavior of cells in chips. As a result, such a simple, accurate and high-efficient analysis of single cell or multiple cells in parallel could provide a fundamental study tool for microfluidic chip researches. In order to reflect the research value of the new approach, we apply it in the research of high-throughput single cell-cell pairing chip. The influence of various factors, such as the chip structure, cell type, on the chip performance is analyzed and explained by the present optical tweezer-assisted approach. Furthermore, the chip performance optimization is achieved by finding the optimum experiment conditions.

基于介电泳的细胞操控微流控芯片利用非均匀电场中细胞被极化而受力产生定向移动的原理，能够实现高通量、低成本、快速地细胞捕获、分离、输运等操作，在生命科学、医学诊断等诸多领域得到了广泛的应用。对芯片内细胞介电泳行为（包括介电泳力的类型、方向、大小）作全面的分析是芯片设计的前提和基础。但是，目前最常使用的公式计算分析细胞介电泳行为的方法存在着过程复杂且准确度不高的缺点，很难满足芯片设计、性能优化和应用过程中的实际需求。本项目的研究内容主要是建立一种标准的光镊辅助分析芯片内细胞介电泳行为的新方法，实现简单、准确、高效地单个细胞或者同时多个细胞的介电泳行为的分析，为介电泳微流控芯片的研发提供一种基础研究手段。为了更好地体现新方法的研究价值，我们将其直接应用于目前高通量单细胞配对芯片的课题中，用于分析和解释芯片结构、细胞种类等因素对芯片性能的影响机理，快速地找到最佳条件，提高芯片的性能。

基于介电泳（DEP）的微粒/细胞操控微流控芯片内介电泳行为的分析是芯片设计，优化和提高芯片性能的重要研究基础。在本项目的研究中，我们设计了一种新型的光镊测试介电泳力的分析系统，并且通过对测试系统的优化与调试，最终实现了准确、快速、直观的微粒/细胞的DEP行为的分析。我们基于介电电泳微孔阵列单细胞操控芯片的研究基础，在芯片结构上引入了标记微阵列结构，设计出可产生作用于单微粒/细胞的介电泳力及可定位单微粒/细胞在测试系统中位置的芯片，采用微纳加工的方式制备芯片并优化了其结构，后用3D打印的夹具将芯片垂直固定后，与光镊系统进行耦合，在60X高倍显微镜下构建了一维方向的介电泳力与横向光阱力的平衡力的测试系统。进一步地，为了保证横向光阱力的可靠性，我们对光阱刚度作了仔细的校正，我们采用两种校正方法，均方位移法（MSD）和功率谱法（PSD），并证明两种方法的自洽性，从而保证光阱刚度测量的准确性，同时，我们在60X高倍显微镜下测试微粒/细胞的位移，两方面都有力地确保光镊测试介电泳力分析系统的可靠性。为了证明测试系统能够应用于快速、准确地分析和对比不同条件下微粒/细胞受到的介电泳力，从而对芯片的设计和改进提供一种高效地分析平台，我们测试和分析对比了不同的微粒与电极表面的距离，不同的介质，不同的微粒种类，大小以及活细胞这些不同条件下的介电泳力的大小和方向，通过计算横向光阱力我们可以得到介电泳力的大小，更加直观地是，我们可以通过直接观察高倍显微镜下微粒/细胞的偏移方向和距离，判断和对比不同条件下介电泳力的大小和方向，这一点在具体的芯片应用和研究中是非常有意义，可以大大加速单细胞分析芯片的优化效率，提高芯片的性能。除此之外，我们只需对芯片的结构做一些细微的调整，便可在此测试系统的基础上，实现同时测试和对比多个微粒/细胞的介电泳力，为单细胞配对，分选等微流控芯片的研究提供一种新型有力的研究和分析工具。