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利用手机通信原理实现微流控芯片活细胞信息的数字化

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不论你人在哪里,电话和短信都能联系到你,那是因为你的手机有一个独特的识别号码,这种号码在网络上的设置把你与其他人区分开来。乔治亚理工学院的研究人员正在使用一个类似的原理来跟踪微流控芯片中进行分类的细胞。

 

该技术使用一个很简单的电路图案,只需三个电极,并为每一个通过微流控芯片通道的细胞分配一个独特的七位数字识别号码。新技术还捕获了细胞大小的信息,以及它们移动中的速度的快慢。这种识别和信息可以让自动计数和分析的细胞被排序。

 

这项研究已经发表在《芯片实验》Lab on a Chip杂志上,研究显示这种结构可以提供电子信息,让这种廉价的芯片上的进行医学检测的实验持续一天的时间,而不必利用医院和诊所之外的检测确认。该技术可以在一四通道芯片中跟踪细胞,且具有的精度达百分之90以上。

 

“对于微流控芯片上的排序等工作我们是通过数字化信息分类” 法提赫·萨里奥格鲁解释说,他是佐治亚理工学院电气和计算机工程系的助理教授。“通过结合微流控技术、电子及通信等原理,我们相信这将有助于解决在芯片实验室技术输出方面的一个重大挑战。”

 

微流控芯片使用细胞独特的生物物理或生化特性可以实现它们自身与病毒的分离。例如,抗原可以用来选择细菌或癌细胞,并将它们分到单独的通道。但要获得排序结果的信息,这些细胞必须用光学方法进行计算。

 

新技术,被称为微流体代码,增加了一个微米尺度的网格状的微流体芯片的电气电路。流过电路的电流在网格上的微流体通道中创建一个电场。当一个细胞通过一个微流体通道时,它会在电路中产生一个阻抗的变化,即一个表明细胞通过的信号,并提供有关细胞的位置、大小和细胞通过通道时的速度信息。

 

这个阻抗的变化已经用了很多年,用来检测液体中细胞的存在,是用于进行血细胞快速计数的可靠的库尔特计数器的基础。而微流体编码技术则是超越了这种技术基础。

 

当每一个细胞通过时,利用混合电路的正负电荷创造一个独特的识别数字信号,并对阻抗变化的信息利用1和0序列的组合进行标定。从多个细胞中分离出来的独特的信号可以被一台计算机分离和读取出来,让科学家们不仅能够跟踪细胞的特性,而且可以识别通过每个通道的细胞数量。

 

“通过合理调整网格模式,我们可以在我们选择的细胞经过的位置处生成代码,”萨里奥格鲁解释。“通过测量整个系统的电流传导,我们可以确定一个细胞通过的每个位置。”


由于每个通道的微流控芯片的细胞有某些共同的特征,该技术将允许自动检测流体样品中存在的肿瘤细胞、细菌或病毒。萨里奥格鲁和他的学生们已经证明,他们可以跟踪超过一千的卵巢癌细胞且具有优于百分之九十的准确率。

 

对于细胞识别的基本原理为码分多址(CDMA),这对于帮助蜂窝网络中每个用户信号的分离是至关重要的。微流控通道是用塑料材料制成的软光刻技术。在玻璃基板上制造电气图案,然后与塑料芯片对准。

 

“我们已经创建了一种没有任何活性成分的电子传感器,”萨里奥格鲁说。“它只是一层进行巧妙构图后金属。细胞与金属层共同产生数字信号,而这种过程恰是以蜂窝电话网络中实现对每个用户追踪识别同样的方式进行的。我们在一个微流体芯片上创建了一个手机网络。”

 

研究的下一步是将电子传感器与微流体芯片结合,能够主动地进行细胞分类。除了能够进行癌细胞、细菌和病毒的分离,这样的系统还可以对无机粒子进行排序和分析。

 

该系统的计算需求应该是最小的,要求不超过现已在智能手机上的把CDMA信号的解码处理器功率。这种功能性证实的主设备只包含四个通道,但萨里奥格鲁认为恰当通过设计可以很容易地扩展到更多的渠道。

 

“这就像是在一个微流控芯片上设置一个USB端口一样,”他解释说。“我们的技术可以实现把所有发生在芯片上的微流体的操作转化成定量的相关测量的数据。

 

最终,研究人员希望能够制造出一种廉价的芯片,用于在医生办公室和偏远地区的复杂医疗诊断检测。芯片可能包含在墨盒内,且将自动化进行测试过程。

 

“对于这种检测规模的扩展将是非常令人兴奋的,我认为这将打开许多不同检测电子化的可能性”萨里奥格鲁说。“分散的卫生保健是一个重要的趋势,我们的技术将有望有一天实现多种诊断检测,而不必到医院或通过大型的医疗设施。”




标签:   微流控 细胞识别
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