基于微流控芯片的生物细胞电阻抗成像检测技术丨JME文章推荐
电阻抗成像(Electrical impedance tomography, EIT)是一种可视化的检测技术，该方法利用一系列分布在被测物体表面的电极对该物体进行检测，以确定目标内部各个位置的导电率或电容率分布。由于EIT具有无放射源、非侵入式检测、检测速度快并且成本低等优点，目前已经被广泛应用于生物学领域。在生物检测中，细胞在流动中位置分布的可视化检测技术，不仅可用于实时监控细胞操作类应用，例如细胞分离效果的检测，也可应用于验证微流道中细胞分布的计算模型。
EIT技术最开始广泛应用在工业检测中的多相流或离散相检测上，后通过发展被应用到医学检测中。传感器芯片的尺寸直径多在2.5 cm和10 cm之间。随着技术的发展，传感器的尺寸已经从毫米级器官检测减小到微米级细胞检测。目前在细胞检测方面，常用荧光法、电化学分析法、质谱法等。荧光法利用荧光物质吸收特定波长的光后发射荧光，通过测定其荧光强弱来进行定量分析。该方法具有灵敏度高，选择性高，线性范围广，以及测定结果与斑点形状无关等优点。但是，该方法需要对细胞进行标记，影响了检测速度。电化学分析法根据细胞在溶液中的电化学性质，通过检测电流、电压等信号变化来分析细胞种类与成分。但是该方法不能得到细胞的位置分布信息。质谱法是一种检测离子质荷比(质量-电荷比)的分析方法，检测对象在离子源中发生电离，形成离子束，进入质量分析器得到质谱图，从而确定其质量。但是该方法检测速度低，不能满足在线检测的临床需求。EIT具有非侵入、无辐射、成像速度快、免标记和不伤害细胞机能的特点。所以EIT具有其他细胞检测方法不具备的优点。
业界有研究使用EIT进行细胞检测。目前虽然已经开发出微尺度的传感器，然而用于细胞流动检测的微尺度电阻抗成像技术(Micro electrical impedance tomography，μEIT)系统还未建立。由于微尺度检测相比于宏观尺寸的检测技术更为复杂，其各项性能所产生的影响更大，故很少有研究利用微流体传感器来实现微流道内细胞的可视化分布检测。
在生物学电阻抗检测研究中，生物体的电阻抗和检测电流的频率有关。在相对低频中，由于细胞膜的高容抗，检测电流无法穿过细胞，只能绕过细胞，此时的细胞溶液阻抗较大；而在相对较高的频率中，电流可以穿过细胞膜，细胞溶液中的检测电流主要为穿过细胞的电流，从而细胞溶液的阻抗较小。对于细胞阻抗和检测电流频率的此类现象，引出了细胞检测中最优频率的研究。
将EIT技术开发到微尺度检测(即μEIT技术)主要需要解决的问题有硬件和软件两方面。
对于硬件，μEIT传感器的电极应该在选材上选用惰性电极以减少检测时的电化学反应，尺寸上足够小，并且规范为统一的结构和尺寸，这样有利于提高检测时局部导电性变化的灵敏度。由于是微尺度传感器，所以对传感器本身的制作精度有很高的工艺要求。传感器的选材需要选择导电率和电容率极低的材料以减少电检测时的噪声和电极间的互相干扰。工艺上，要求传感器流道内表面具有较低的粗糙度，并且电极的位置足够精确。
对于软件，提高μEIT成像精度较为高效的方法是选出最适合μEIT技术的图像重建算法和最优成像频率。现有的图像重建算法理论都是通过边界检测值和敏感矩阵来计算检测域内各个位置的电属性，如导电率或电容率。大量的研究表明，该方法也可以应用在生物细胞检测的μEIT检测中。线性反投影(Linear back projection, LBP)算法具有计算量低、简单且快速响应的优点，但是每一个像素的反投影信号的相加所引起的重叠图像会导致模糊效应，从而成像精度较低。Tikhonov正则化是一种可以较好求解病态矩阵的流行算法。投影Landweber迭代法由YANG等提出，在Landweber 算法具有较高成像质量的优点下，改进并解决了其较差的收敛性，目前广泛应用于EIT检测中。由于各个算法都有各自的优缺点，在其中选择出最适合μEIT技术的图像重建算法对于提高成像质量有很大的必要性。
对于最佳的成像频率，除了细胞溶液阻抗随检测电流频率改变之外，电极和溶液之间的接触电阻同样也有较大的影响。在低频率下，接触阻抗很大程度的影响了对于细胞的检测。在中频时接触电阻和细胞阻抗都有较为敏感的变化，接触电阻的影响逐渐减小。在高频时接触电阻影响较小，但是细胞的阻抗值又非常的小，电容性影响又较为严重。因此，检测细胞时，获得最优频率下的阻抗信号是非常重要的。
在之前的研究中，YAO等已经发表过关于开发较高加工精度的微流道传感器的相关论文，该传感器检测截面的边长为550 μm，每个截面用MEMS和光刻技术集成了16个微型铂电极，该传感器总共有5个截面，可用于流动状态下的3D电阻抗成像检测。然而用于细胞流动检测的μEIT系统还未建立。
姚佳烽、刘夏移、徐梓菲等在《机械工程学报》2019年第2期发表了《基于微流控芯片的生物细胞电阻抗成像检测技术》一文，他们研究开发一套了μEIT系统，用来对微流道中细胞溶液的细胞位置分布进行成像。为了克服μEIT检测中复杂的电气性质及提高μEIT成像的质量，我们采用仿真分析和试验验证来分别解决μEIT系统主要的两个问题：最佳图像重建算法和最佳检测频率。在仿真分析中，比较了广义矢量模式匹配(Generalized vector sampled pattern matching, GVSPM)、Tikhonov正则化(Tikhonov regularization, TK)和投影Landweber迭代(Projected landweber iteration, PLW)等三个主流的图像重构算法，用以找出最适合μEIT系统的算法。在试验中，该团队采用最优算法对不同频率下所重构的图像进行对比，来确定最优的成像频率。结果表明，研发的μEIT系统可用于显示微流道中细胞溶液的细胞分布。
引用本文
姚佳烽, 刘夏移, 徐梓菲, 赵桐, 陈柏, 吴洪涛. 基于微流控芯片的生物细胞电阻抗成像检测技术[J]. 机械工程学报, 2019, 55(2):1-9.
YAO Jiafeng, LIU Xiayi, XU Zifei, ZHAO Tong,CHEN Bai, WU Hongtao. Electrical Impedance Tomography for Biological CellSensing with Microfluidic Device. Journal of Mechanical Engineering, 2019,55(2): 1-9.
仿真模型和不同图像重建算法的结果
试验装置及微流控芯片
沿着微流道中三个横截面的细胞沉降可视化的应用
该文通过仿真和试验的方法研究了微尺度电阻抗成像技术(μEIT)在细胞检测方面的应用，在微尺度两相流复杂的电气性能中找到了重建细胞分布图像的最佳条件，证明了开发出的微电阻抗层析成像系统对细胞分布检测的可行性。
(1) 在仿真中建立了3种细胞/溶液模型，采用了广义矢量模式匹配法(GVSPM)，迭代Tikhonov正则化法(TK)和投影Landweber迭代法(PLW)三种图像重建算法来解决μEIT系统的逆问题。由于GVSPM所重建的图像具有最高的相关性IC = 0.84和最低的图像误差IE = 0.43，所以认为GVSPM是本研究中图像重建的最优算法。在电极/溶液界面处由双电层诱发的电位降δUEDL被施加到所检测的电压中，IC和IE在指定迭代时间Iter = 10的情况下只产生了0.26％和4.7％的微小变化，这证明了μEIT的可行性。
(2) 在试验中，利用微电阻抗层析成像(μEIT)系统对微流道内酵母细胞在纯水中沉淀进行检测。在不同频率下成像，用于寻找最适于成像的电流频率。结果显示，在GVSPM算法下，f = 1 MHz时得到了最低的电压误差UE = 0.582，从而认为系统的最佳检测频率为f = 1 MHz。
(3) 在频率f = 1 MHz的情况下，对多层微流道的三个横截面用GVSPM算法重建细胞沉降的分布图像。重建图像显示，从z1到 z5的细胞浓度沿着微流道方向下降，并与以前研究中的Φ =17.5%至Φ = 4.9%的定量结果相符。结果表明，μEIT系统可以在多层电极微流道传感器中成功的对细胞沉降的分布进行可视化检测。
姚佳烽，博士，南京航空航天大学讲师，日本千叶大学客员研究员，国际工业过程层析成像学会 (ISIPT)会员，IEEE会员，中国航空学会会员。2011年获得国家公派（CSC）资助赴日本留学，于2014年9月在熊本大学取得工学博士学位。2014年10月至2016年9月任日本学术振兴会（JSPS）外国人特别研究员，在千叶大学从事博士后研究。主要研究方向为电阻抗成像(ElectricalImpedance Tomography)，多相流(Multiphase Flow)，生物微流控(Biomicrofluidics)技术。已发表论文30余篇，其中被SCI/EI检索20余篇，出版日语专著1部，国家发明专利4项。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等多项科研项目。主要研究方向为电阻抗成像技术，多相流检测，生物微流控。
2018.1—2020.12 国家自然科学基金（青年）(51706098)，肿瘤细胞微尺度电阻抗成像检测与免标记高速分离方法研究，主持。
2018.5—2020.5 企业横向课题，基于气固两相流数值仿真的新型高效工业除尘器研发，主持。
2017.7—2019.6 江苏省自然科学基金(BK20170792)，多电极阵列微流路内肿瘤细胞电阻抗成像检测及免标记分离方法研究，主持。
2017.1—2018.12 广东省科技计划项目(2017A020215134)，基于微流控电化学阻抗谱分析技术的免标记肿瘤标志物早期检测，联合研究。
2016.1—2018.12 国家自然科学基金（青年）(51506175)，高体积分率条件下微流道内粒子迁移运动特性及其影响机理研究，第一参与。
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著书（共1项）
[1] 姚佳烽, 武居昌宏, 細胞の特性計測・操作と応用(中文：细胞特性检测，操作与应用), Chapter 4: 浮遊細胞の電気的特徴量の計測, 2016年12月, 株式会社コロナ社.ISBN：978-4-339-07261-7.
发明专利（共4项）
[1] 姚佳烽，徐梓菲，王峥，朱玉川，陈柏，吴洪涛，一种雾化喷嘴，专利号：201710545211.7，2017.
[2] 姚佳烽，姜祝鹏，徐梓菲，陈柏，吴洪涛，一种基于电阻抗成像可视化检测的惯性分离微流控芯片，专利号：201710826305.1，2017.
[3] 姚佳烽，王峥，姜祝鹏，简易家庭实用型土豆切片机，专利号：201710804658.1，2017.
[4] 姚佳烽，李比古，徐梓菲，王浩，陈柏，吴洪涛，一种用于电阻抗检测的便携式手环，2018.
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