2仿真结果与讨论


2.1非检测电极设置悬浮和接地的EIS检测灵敏度比较

图3非检测电极的不同设置对C11子细胞剪切的影响


如图3(a)、图3(b)所示，非检测电极设置成悬浮和接地时，C11子细胞剪切造成的ΔAr随行列间距变化的趋势相似，整体上随着行列间距增大而逐渐增大。非检测电极接地时，C11子细胞剪切产生的ΔAr更大，其EIS检测灵敏度更高。因此，后续的仿真实验中非检测电极均设置为接地。


2.2响应电流的组成及分布


如图4(a)、图4(b)所示，响应电极R1记录的响应电流I1由4部分构成，依次记为Ia、Ib、Ic、Id。其中，只有部分Ia流经C11所在的捕获检测单元，因此只有Ia反映母细胞C11的几何尺寸信息。响应电流I1中Ia所占的比重越大，对于母细胞C11的检测灵敏度越高。Ib流经C12所在的捕获检测单元，因此C12细胞存在与否主要影响Ib，进而对响应电流I1造成影响。C12细胞的存在使其所在捕获检测单元处的电阻抗提高，Ib减小，因此响应电流I1减小。C21细胞存在时其所在捕获检测单元处的电阻抗提高，造成Ic、Id增大，因此响应电流I1增大。

图4响应电流的分布及组成


如图5所示，总体上，响应电流I1随着行列间距的增大而减小。在行列间距为200μm～300μm时，响应电流I1几乎不随行列间距的变化而变化。这是由于此时行列间距已经足够大，Ib、Ic、Id较小，响应电流I1主要由Ia组成，此时对酵母细胞C11的EIS检测灵敏度较高。

图5响应电流的幅值变化图


2.3邻近细胞对响应电流的影响


非检测电极设为接地，仿真研究不同行列间距组合中单个邻近细胞存在与否以及待测子细胞剪切造成的ΔAr。图6(a)～图6(e)分别反映了待测细胞C11的邻近细胞C12、C13、C21、C31、C22存在时响应电流相对幅值ΔAr随行列间距的变化。如图6(a)、图6(b)所示，总体上来看，随着列间距的增大，C12细胞的存在造成了ΔAr显著减小。由于C12细胞主要影响Ib，当行列间距均在100μm以下时，Ib在I1中所占比重较小，Ib的变化并未引起响应电流的显著变化，因此ΔAr较小。随着行间距的增大，Ic、Id逐渐减小，响应电流中Ib所占比重逐渐增大，因此ΔAr逐渐增大。C13细胞的存在引起ΔAr的变化相对于C12细胞的存在小一个数量级，因此其影响可以忽略。如图6(c)、图6(d)所示，随着行间距的增大，C21细胞的存在引起ΔAr显著减小。这是由于C21主要影响Ic、Id，随着行间距的增大，Ic、Id逐渐减小，因此ΔAr也逐渐越小。C31细胞的存在引起ΔAr的变化相对于C21细胞的存在小一个数量级，因此其影响也可忽略。如图6(e)所示，C22细胞的存在引起ΔAr的变化比C12、C21细胞的存在小1到2个数量级，其影响忽略。待测细胞C11的子细胞剪切引起ΔAr的变化如图6(f)所示。总体上，随着行列间距的增大，C11子细胞剪切的检测灵敏度逐渐增大。

图6邻近细胞的存在及待测细胞子细胞剪切对待测响应电流的影响


由以上分析可知，与待测细胞同行或同列的邻近细胞对响应电流的影响随着列间距或行间距的增加而显著下降，并且最邻近的细胞对响应电流的影响要远大于较远处的细胞。与待测细胞不同行不同列的细胞对响应电流的影响可忽略。因此在确定合适的行列间距时只考虑C12、C21细胞的存在对ΔAr的影响，分别将其与C11的子细胞剪切造成的ΔAr比较。行列间距越大，邻近细胞对于响应电流的影响越小，目标细胞的检测灵敏度越高。然而捕获检测单元的行列间距过大会降低酵母单细胞的捕获效率以及芯片的集成度。因此，综合考虑检测灵敏度以及芯片集成度，选择列间距为100μm、行间距为125μm作为捕获检测阵列的设计参数。此行列间距下，C12、C21细胞存在与否以及C11子细胞剪切造成的ΔAr分别为1.78×10-4、6.85×10-4、4.66×10-3。与C11子细胞剪切造成的EIS信号变化(4.66×10-3)相比，邻近细胞对于响应电流相对幅值的影响在其15%以下，因此预期可实现对待测出芽酵母子细胞剪切事件的准确检测。


3总结


在本研究中，我们提出了可用于出芽酵母细胞电阻抗检测的集成微电极阵列微流控芯片的设计结构，并建立了三维有限元模型，重点研究了微电极阵列的行列间距对细胞电阻抗检测灵敏度的影响。通过有限元模型仿真计算中对捕获检测单元的行列间距进行了参数化扫描，分析了微电极阵列中待测响应电流的分布及组成，并研究了邻近细胞对于待测响应电流的影响，确定了有效检测待测出芽酵母子细胞剪切所需的最小行列间距组合。所提出的集成微电极阵列微流控芯片有望用于基于电阻抗谱技术的高通量酵母单细胞复制衰老及寿命检测，建立的有限元模型及仿真分析结果为微流控芯片的设计及优化改进提供了重要参考。