电池阻抗检测仪

近日，德州仪器推出全新的汽车电芯监测器和电池包监测器。这些监测器提供更高精度的测量功能，可更大程度地增加电动汽车 (EV) 行驶时间并实现更安全的运行。 　　随着电动汽车越来越受到欢迎，先进的电池管理系统 (BMS) 有助于克服阻止电动汽车广泛普及的关键障碍。TI 重点关注克服复杂的系统设计挑战，并为此提供了品类丰富且先进的 BMS器件系列，助力汽车制造商打造更安全、更可靠的驾驶体验并提高电动汽车普及率。 　　BQ79718-Q1 电芯监测器和 BQ79731-Q1电池包监测器是 TI 丰富的BMS系列中的全新产品。BQ79731-Q1和BQ79718-Q1在测量电池电压、电流和温度方面提供了出色的准确度和精度，可有效确定车辆的真实续航里程、延长电池包的整体寿命并提高其安全性。 　　"汽车制造商的目标是尽可能延长电动汽车的续航里程，而准确的荷电状态估算对于实现这一目标至关重要。"TI BMS 总经理 Sam Wong 表示："我们的全新器件大幅提升了电压和电流的测量精度，可让汽车制造商对准确预估电动汽车的真实续航里程充满信心。" 　　TI 将在 CES 2023 展示其 BMS 技术，包括全新的 BQ79718-Q1 电芯监测器和 BQ79731-Q1电池包监测器。 　　凭借出色的测量精度，有效延长续航里程 　　随着消费者们转向购买电动汽车，电池电压的测量准确度和精度对消费者的驾驶体验至关重要。即使细微的温度变化也能对电动汽车的续航里程产生重大影响；特别是寒冷的天气，对电池电压范围影响的幅度可高达 40%。这些变化会为电池电压和预期的电动汽车续航里程造成相当大的不确定性。 　　借助 BQ79718-Q1电芯监测器，汽车制造商可以进行高性能的电池电压测量(精度可达 1mV)，从而更大限度地延长电动汽车的真实续航里程；借助 BQ79731-Q1电池包监测器，电池包电流测量的精度可达 0.05%。这些创新可在单节电池和电池包中准确测量电池荷电状态和运行状况，有效地反映真实的剩余里程并提升对电动汽车电池寿命的信心。 　　通过电池包电压和电流同步，提升对荷电状态的估算 　　此外，出色的电压和电流同步功能 (64µs) 可提供电池运行状况的实时快照，实现对电池包电源的瞬时监测。这一级别的同步可支持电化学阻抗跟踪分析，让您深入了解电池内核温度、电池老化和电池荷电状态。阅读技术文章"如何为高级 EV 电池管理系统设计智能电池接线盒"了解更多。 　　借助丰富的BMS系列产品，实现更高的安全性和性能 　　BQ79718-Q1 电芯监测器与之前市面上的任何电芯监测器相比，可提供符合汽车安全完整性等级 (ASIL) 要求的更出色的测量精度(主要路径、冗余路径和残余误差查找)，方便汽车制造商对车辆电池包进行充电和放电。 　　BQ79718-Q1 电芯监测器和 BQ79731-Q1 电池包监测器均属于 TI 的高精度电池监控器和均衡器产品系列。此外，该系列还包括 BQ79600-Q1 SPI/UART 通信桥接器件，可使用单独的通信协议实现快速稳定的菊花链通信。 　　新品进一步丰富了TI 的BMS 系列产品。TI 的BMS 系列产品还包括用于无线 BMS 的 CC2662R-Q1 无线微控制器 (MCU)、TPSI3050-Q1 隔离式开关驱动器和 TPSI2140-Q1 隔离式开关器件。TI 还提供 BMS 设计套件，其中包括参考板、仿真器和汽车开放系统架构复杂器件驱动器。 　　TI 始终致力于推动汽车电气化发展，帮助汽车制造商优化车辆性能、加快开发速度，并创建更安全、更可靠且性价比更高的电动汽车。

p 　　近十年间，在能源技术变革以及新兴科技的带动下，全球锂离子电池产量进入飞速增长期，根据公开数据，预计2018年全球锂电池增速维稳，产量有望达到155.82GWH，市场规模将到达2313.26亿元。中国是锂电池重要的生产国之一，2017年中国锂电池产量突破100亿只，增速达27.81%，2018年预计全国锂电池产量达到121亿只，增速22.86%。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/06d25d4d-9770-4f94-90cf-561334abdcf6.jpg" title=" 01.jpg.png" alt=" 01.jpg.png" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 图1锂电产业链到测试仪器设备对应关系图 /span /p p 　　锂离子电池产业的蓬勃发展，也为锂离子电池检测领域带来新的机遇。锂电检测设备除了生产制造环节必需的电芯分选检测系统、充放电检测系统、保护板检测系统、线束检测系统、BMS检测系统、模组EOL检测系统、电池组EOL检测系统、工况模拟检测系统等外。锂电新技术研发、开发也离不开各种分析测试仪器，如电镜表征锂电正极材料或包覆材料结构及形貌、热分析仪或X射线衍射仪分析锂电正极材料结晶性能、粒度仪及比表面仪器分析锂电正负极材料粒度、孔径等。图1展示了从锂电产业链到测试方法的对应关系。 /p p 　　随着锂离子电池基础科学研究仪器水平不断提升，几乎各类先进科学仪器都逐渐在锂离子电池的研究中出现，且针对锂离子电池的研究、制造也开发了许多锂电行业专用的仪器设备。图1展示了从锂电产业链到测试方法的对应关系，图2则展示了不同空间分辨率对应的部分的表征方法。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/12d49b40-626a-4708-986a-8546871af96b.jpg" title=" 02.jpg.png" alt=" 02.jpg.png" / /p p style=" text-align: center " span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 图2 锂离子电池实验技术的空间分辨分布图 /span /p p 　　从市面锂电检测相关市场调研报告或资料统计来看，多数主要针对生产制造环节的锂电检测系统，却鲜有涉及研发必需的各类分析仪器。然而，纵观目前国内锂电企业，低端产能过剩，高端产能不足是行业现状，锂电产品质量走向高端是必然发展趋势。走向高端则必须保持高研发投入，来保证不断材料改进和技术革新。基于此，仪器信息网( a style=" color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline " target=" _self" href=" https://www.instrument.com.cn/" span style=" color: rgb(0, 176, 240) " https://www.instrument.com.cn/ /span /a )特组织了“中国锂离子电池检测仪器设备市场调研”活动，以期从市场应用角度，对锂电检测设备及仪器做更全面的梳理归纳，对近年来锂离子电池检测行业整体产业链发展现状、市场发展行情、锂电检测涉及到的仪器设备品类，各仪器设备品牌在市场中的占有率以及各自市场拓展情况等信息进行调研分析，为各锂电检测仪器设备商在以后的仪器销售和推广活动中提供决策参考。此次调研，面对的调研对象包括仪器信息网注册用户、锂电科研开发用户、锂电生产企业、锂电第三方检测机构、锂电检测领域专家以及部分锂电检测相关仪器设备主流生产厂商等。 /p p 　　 a style=" color: rgb(0, 176, 240) text-decoration: underline " target=" _blank" href=" https://www.instrument.com.cn/survey/Report_Census.aspx?id=151" strong span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 《中国锂离子电池检测仪器设备市场研究报告(2018版)》 /span /strong /a 内容包含了锂电行业行业监管体制及相关产业法规政策、标准，锂电及锂电检测发展现状，锂电检测用户调研分析，锂电检测设备商市场分析，锂电检测涉及各种分析检测仪器设备品牌分布分析等。 /p p 　　 a style=" text-decoration: underline " target=" _blank" href=" https://www.instrument.com.cn/survey/Report_Census.aspx?id=151" span style=" text-decoration: underline color: rgb(0, 176, 240) " strong 《中国锂离子电池检测仪器设备市场研究报告(2018版)》 /strong /span /a 得到了广大调研用户、相关企业以及业内专家的大力支持。近200余位来自锂电生产、研发、第三方检测机构、高校院所等领域的锂电检测用户参与在线调研。结合仪器信息网大数据平台，还对锂电仪器设备商近三年在仪器信息网发布的300篇锂电相关解决方案数据进行了统计分析。同时，报告详细统计分析2017年国内锂电检测相关文献，考察具有研究生教育能力的高校和研究院所，初步对近18年来锂电相关博士学位论文和优秀硕士学位论文6713篇数据统计。在此，谨对报告所有参与者表示最衷心的感谢 strong ! /strong /p table align=" center" tbody tr class=" firstRow" td colspan=" 2" style=" border: 1px solid windowtext padding: 0px 7px " width=" 568" valign=" top" p style=" text-align:center" strong span style=" font-size:19px font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 color:red" 关于《中国锂离子电池检测仪器设备市场研究报告（2018版）》 /span /strong /p /td /tr tr td style=" border-right: 1px solid windowtext border-width: medium 1px 1px border-style: none solid solid border-color: -moz-use-text-color windowtext windowtext -moz-border-top-colors: none -moz-border-right-colors: none -moz-border-bottom-colors: none -moz-border-left-colors: none border-image: none padding: 0px 7px " width=" 149" p style=" text-align:center" strong span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 color:red" 报告适合对象 /span /strong /p /td td style=" border-width: medium 1px 1px medium border-style: none solid solid none border-color: -moz-use-text-color windowtext windowtext -moz-use-text-color padding: 0px 7px word-break: break-all " width=" 419" valign=" top" p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" △ span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " & nbsp /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " 重点业务板块包含锂电检测的仪器设备企业/检测机构； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" span style=" font-family:Wingdings" △ span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " & nbsp /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " 锂电领域呈增长趋势的仪器设备企业/检测机构； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" span style=" font-family:Wingdings" △ span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " & nbsp & nbsp /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " 将锂电作为重点拓展领域的仪器设备企业/检测机构； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" /span span style=" font-family:Wingdings" △ span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " 仪器设备产品为锂电检测重要或高占比品类的仪器设备企业； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" /span span style=" font-family:Wingdings" △ span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " 仪器设备品类齐全，涵盖了锂电检测诸多检测仪器品类的大综仪器设备企业； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" /span span style=" font-family:Wingdings" △ /span span style=" font-family:Wingdings" /span span style=" font-family:Wingdings" ...... /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " /span /p /td /tr tr td style=" border-right: 1px solid windowtext border-width: medium 1px 1px border-style: none solid solid border-color: -moz-use-text-color windowtext windowtext -moz-border-top-colors: none -moz-border-right-colors: none -moz-border-bottom-colors: none -moz-border-left-colors: none border-image: none padding: 0px 7px " width=" 149" p style=" text-align:center" strong span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 color:red" 获取报告可能带来哪些收益？ /span /strong /p /td td style=" border-width: medium 1px 1px medium border-style: none solid solid none border-color: -moz-use-text-color windowtext windowtext -moz-use-text-color padding: 0px 7px word-break: break-all " width=" 419" valign=" top" p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" strong span style=" font-family:Wingdings" √ /span /strong span style=" font-family:Wingdings" span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " & nbsp /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " 对锂电检测市场至上而下系统性整体把握； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" strong span style=" font-family:Wingdings" √ /span /strong span style=" font-family:Wingdings" span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " & nbsp /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " 锂电不同产业链阶段对检测仪器设备需求把握； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" strong span style=" font-family:Wingdings" √ /span /strong span style=" font-family:Wingdings" span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " & nbsp & nbsp /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " 对锂电封装后端锂电检测系统市场格局把握； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" strong span style=" font-family:Wingdings" √ /span /strong span style=" font-family:Wingdings" span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " & nbsp & nbsp /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " 对锂电封装前端检测仪器市场格局把握； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" strong span style=" font-family:Wingdings" √ /span /strong span style=" font-family:Wingdings" span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " & nbsp 对锂电开发、科研检测仪器设备品类、各品类主流品牌、各品牌等市场格局把握； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" strong span style=" font-family:Wingdings" √ /span /strong span style=" font-family:Wingdings" span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " & nbsp & nbsp /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " 对锂电开发、科研检测仪器设备用户分布把握； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" strong span style=" font-family:Wingdings" √ /span /strong span style=" font-family:Wingdings" span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " & nbsp & nbsp /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " 锂电检测领域业务投资、拓展规划等导向参考； /span /p p class=" MsoListParagraph" style=" margin-left:28px" span style=" font-family:Wingdings" strong span style=" font-family:Wingdings" √ /span /strong span style=" font-family:Wingdings" span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font:9px & #39 Times New Roman& #39 " /span /span span style=" font-family:& #39 微软雅黑& #39 ,& #39 sans-serif& #39 " ....... /span /p /td /tr /tbody /table p 　　 strong 报告链接 /strong ： a style=" text-decoration: underline color: rgb(255, 0, 0) " target=" _blank" href=" https://www.instrument.com.cn/survey/Report_Census.aspx?id=151" span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 《中国锂离子电池检测仪器设备市场研究报告(2018版)》 /strong /span /a /p p 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " strong 欢迎感兴趣的网友和我们联系购买报告事宜，电话：010-51654077转 销售部 /strong /span /p p br/ /p p span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong & nbsp & nbsp & nbsp 报告节选： /strong /span /p p 　　 strong 一 锂电池行业监管体制及相关产业法规政策 /strong /p p 　　...... /p p 　　2.1 相关法律、法规与政策(2007-2018) /p p 　　...... /p p 　　2.2 相关标准 /p p 　　...... /p p 　　表 电池相关标准发布情况 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/da42376b-e785-4643-bcda-5bfa22228928.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" / /p p 　　表 电池检测相关标准发布情况 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/2ee83f81-7764-4535-8e2f-88fb8b4ecbb5.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" / /p p 　　...... /p p 　　 strong 二 锂电及锂电检测发展背景 /strong /p p 　　...... /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/5f286267-b748-4f32-a0f8-f0d797ad87d2.jpg" title=" 03.jpg.png" alt=" 03.jpg.png" width=" 450" height=" 269" / /p p 　　...... /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/6c628d9f-6ae2-43e8-8d77-cd78c08d1497.jpg" title=" 04.jpg.png" alt=" 04.jpg.png" width=" 450" height=" 308" / /p p 　　...... /p p & nbsp & nbsp & nbsp strong 三 锂电检测仪器设备市场调研分析 /strong /p p & nbsp & nbsp & nbsp ...... /p p 　　 strong 四 锂电研发用检测仪器设备市场分析 /strong /p p 　　...... /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/8ea20ccf-f148-40e4-86cd-7ef3fdba0766.jpg" title=" 05.jpg.png" alt=" 05.jpg.png" width=" 450" height=" 281" / /p p 　　...... /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/77d4360c-765d-47cf-b644-b44644c1803f.jpg" title=" 06.jpg.png" alt=" 06.jpg.png" width=" 450" height=" 296" / /p p 　　...... /p p 　　3 2017年锂电研发用电镜市场分布情况 /p p 　　...... /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/e06873f6-50ed-4630-bfa1-fc0b9a8f7c56.jpg" title=" 07.jpg.png" alt=" 07.jpg.png" width=" 450" height=" 271" / /p p 　　...... /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 表 锂电研发用电镜不同品牌用户在各地区分布数据表 /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/992b6593-5342-4b53-a3a1-7576e9cc118f.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" / /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 表 锂电研发用电镜各地区品牌渗透数据表 /span /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/4600a0aa-d5e7-4bb7-b821-27cf760d4d17.jpg" title=" 1.jpg" alt=" 1.jpg" / /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/ca4cc6a1-a049-43df-8b15-078dd12e4357.jpg" title=" 08.png" alt=" 08.png" width=" 450" height=" 281" / /p p 　　...... /p p & nbsp & nbsp & nbsp 4 2017年锂电研发用电化学工作站市场分布情况 /p p & nbsp & nbsp & nbsp ...... /p p 　　 strong 五 小结 /strong /p p 　　...... /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201808/uepic/c0d39595-d1e6-4330-9b2e-037a61e4044c.jpg" title=" 09.png" alt=" 09.png" width=" 600" height=" 380" / /p p style=" text-align: center " 　　 span style=" color: rgb(0, 176, 240) " 仪器厂商发布锂电解决方案数量与用户关注度柱状图 /span /p p 　　...... /p p 　　 span style=" color: rgb(255, 0, 0) " strong 正文目录 /strong /span /p p 　　一 锂电池行业监管体制及相关产业法规政策...... 6 /p p 　　1 锂电池行业监管体制....... 6 /p p 　　2 锂电行业相关法律、法规与政策、标准....... 7 /p p 　　二 锂电及锂电检测发展背景....... 15 /p p 　　1 锂电产业链概况....... 15 /p p 　　2 锂电检测行业概况及对仪器设备的需求....... 15 /p p 　　三 锂电检测仪器设备市场调研分析....... 18 /p p 　　1调研用户样本情况分析....... 18 /p p 　　2 锂电封装后之电池检测系统市场概况....... 20 /p p 　　3 锂电封装后之电池检测系统用户调研分析....... 23 /p p 　　4 锂电封装前之检测仪器市场用户调研....... 25 /p p 　　四 锂电研发用检测仪器设备市场分析....... 27 /p p 　　1近18年发表锂电相关学位论文发布情况及主要发布单位....... 28 /p p 　　2 2017年锂电研发用检测仪器品类分布分析....... 31 /p p 　　3 2017年锂电研发用电镜市场分布情况....... 32 /p p 　　4 2017年锂电研发用电化学工作站市场分布情况....... 36 /p p 　　5 2017年锂电研发用电池性能检测系统市场分布情况....... 38 /p p 　　6 2017年锂电研发用X射线衍射仪(XRD)市场分布情况....... 40 /p p 　　7 2017年锂电研发用热分析仪市场分布情况....... 43 /p p 　　8 2017年锂电研发用X射线光电子能谱仪(XPS)市场分布情况....... 45 /p p 　　9 2017年锂电研发用红外光谱仪市场分布情况....... 46 /p p 　　10 2017年锂电研发用比表面测试仪市场分布情况....... 48 /p p 　　11 2017年锂电研发用拉曼光谱仪市场分布情况....... 49 /p p 　　12 2017年锂电研发用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)市场分布情况....... 51 /p p 　　五 小结....... 51 /p p 　　1锂电检测研发端：仪器种类繁多，仪器商众，进口品牌独占鳌头....... 52 /p p 　　2锂电检测封装后锂电检测系统端：行业整合加速，品牌意识将加强....... 53 /p p 　　3仪器信息网大数据之锂电检测仪器设备商：锂电产业热潮中，蜂拥关注，拓展尚处摸索期....... 54 /p

本文作者：王文会 清华大学精仪系 长聘副教授王文会，清华大学精仪系长聘副教授，博士生导师，入选国家海外高层次人才引进计划青年项目。主要从事微操作器件和系统、机器人自动化技术、及其在生命科学仪器领域的应用研究工作。项目来源包括国家重点专项、科技创新2030—“脑科学与类脑研究”重大项目、国家自然科学基金仪器项目、面上项目等；在Small，Lab Chip，Small Methods，Biosensors and Bioelectronics，Analytical Chemistry，IEEE Trans等期刊上发表50多篇SCI论文，获得授权发明专利12项（包括2项美国专利）。近年的研究兴趣在于单细胞操控和理化特性表征技术、系统及应用。清华大学王文会教授团队在阻抗流式细胞术上取得系列进展对单细胞生物特性的表征有助于揭示细胞的基本结构、功能信息及其病理状态，基于单细胞的研究可以更深层次揭示生命的本质和规律，对生命科学研究、疾病诊断和个性化医学意义重大。细胞内的生理变化常伴随着化学和物理修饰重组，可以通过生物化学和生物物理的方法对单细胞进行表征。生物化学方法通常利用生化标记识别细胞及其状态，特异性高，但是需要先验知识且检测成本高。而生物物理方法利用细胞的机械、电学等固有表型特征，能够实现对单细胞的快速无创无标记表征，方便对细胞进行后续操作如分选、培养和组学分析等。目前，单细胞生物物理特性表征已有不少经典方法，如原子力显微镜、光镊和膜片钳等，提供了有效的手段，但是这些技术检测流程繁琐、系统复杂且通量低。而作为一种能够精确操控微尺度流体的新兴手段，微流控技术所需样本体积小、生物相容性高且响应速度快，使得其成为当前单细胞研究中不可或缺的工具。微流控技术不断地应用于单细胞生物物理表征。在电学特性方面，研究者已成功利用电旋转、电阻抗谱和阻抗流式技术测量细胞膜电容等电学参数；在机械特性方面，研究者基于诱导变形原理，成功利用光、机、电、声等物理场实现对细胞杨氏模量等机械参数的测量。从Coulter计数器发展而来的阻抗流式细胞术IFC具有通量大的优势，在技术和应用上取得了很大的进展，但在提取单细胞的本征参数方面还存在低效、解算慢、模态单一、准确性未知、易堵塞等问题。基于常用的电阻抗流式器件结构和测量架构（图1），清华大学王文会教授团队近年在解决以上这几个问题方面取得了一系列进展。图1. 阻抗流式细胞术基本架构针对单细胞本征特性是否可用阻抗流式表征的问题，利用最小流阻流体捕获原理（Lab on a Chip, Outside Front Cover, 2021, 2486-2494 Lab on a Chip, Outside Back Cover, 2016, 4507-4511），设计U型微流道结构（图2），可以使同一个细胞以流式流经一组IFC电极后，到达设有另一组EIS电极的捕获点位。在两组电极处分别进行阻抗流式测量和阻抗谱测量，结果发现离散的阻抗流式数据点与阻抗谱数据吻合度极高，在三个量级的流速（10-1000 nL/min）下，其相对偏差5%，证明了阻抗流式术可以替代阻抗谱实现对单细胞阻抗本征参数的提取，同时该结构也允许流式和阻抗谱测量同时进行，实现在通量和准确性上的相互补充（Analytical Chemistry, 2019, 91(23): 15204）。图2. 阻抗流式细胞术与阻抗谱互补针对电学本征参数的计算往往通过复杂的生物物理模型离线拟合，耗时较长，难以满足下游操控分析环节的实时在线需求的问题，提出了神经网络赋能的实时在线电学本征参数提取技术，基于神经网络实现对单细胞电学本征参数的加速求解（图3）。相比传统的梯度拟合计算方法，单细胞事件的推理时间约为0.3 ms，速度提升了10000倍，在实验部署中，电学本征参数测量通量接近100/秒。获得的本征参数用于细胞分类，可将准确率从不到80%提升到93%。通过让同一批细胞来回往复测量区进行十次电学测量，本征参数的变化4%；对细胞的染色与培养表明，细胞仍保持活性且增殖率和控制组的细胞没有特别明显的差别，证明电学表征不会显著影响细胞活力（Lab on a Chip, Outside Back Cover & 2021 Hot Articles, 2022, 240-249）。图3. 神经网络加速求解细胞电学本征参数针对阻抗流式通常只求解电学特性参数的局限，提出基于阻抗数据的电学-机械双模态本征参数提取技术（图4）。利用流道结构和电极的空间耦合以及阻抗测量的高时空分辨率特性，使阻抗信号同时包含细胞电学特性及通过收缩通道过程中挤压的动态形变信息。通过构建电阻抗-细胞形变映射模型，发现测量电阻与细胞伸长量成正比，从而能够将测得的阻抗信号定量映射到细胞机械形变。同时采用分时复用传感策略，利用差分传感信号将电脉冲和幂律时变阻抗信号以分时复用的方式集成，从而实现单细胞电学-机械双模态本征特性表征。在不需要使用相机的情况下，仅使用阻抗数据后，测量的通量大幅提高。通过获得的数据，首次发现1 μM级浓度的细胞松弛素可能是诱导处理细胞骨架发生显著变化的阈值。针对常用的细胞分类任务，基于神经网络利用电学-机械双模态本征参数实现了明显高于基于单一电学特性和机械特性的93.4%高分类准确率，相比电学和机械特性分类准确率的绝对值分别提高了12.3%和5.1%，说明单细胞生物物理特性的多模态测量能够更特异地对细胞进行表型分析（Small Methods, Back Cover, 2022, 6(7), 2200325 Small, Frontispiece, 2023, DOI: 10.1002/smll.202303416）。图4. 使用电阻抗同时求解电学-机械学本征特性参数针对单细胞电学表征准确性未知的不足，利用辛醇辅助脂质体组装方法合成了类细胞大小的脂质体，以脂质体作为单壳模型粒子，结合阻抗测量芯片与测量系统构建了测量平台，提出了单细胞电学模型测量准确性评估和相应的补偿技术（图5）。研究发现，当传感区尺寸接近被测粒子时，通过模型拟合得到的电学本征参数与真值的相对误差小于10%，此时电极间距与流道宽度主要通过影响测量体积分数而对测量准确性产生影响，从而基本验证了单细胞电学测量模型的准确性。但是由于电学测量模型通过对流道中间高度电场强度进行建模计算，共面电极产生的电场在流道高度方向的不均匀衰减将导致流道高度对电学模型测量准确性的影响最大，测量相对误差高达30%（ACS Sensors, 2023, 8(7), 2681–2690）。而这种误差，可以通过在流道中设计合适的电极，将粒子的空间位置与电极上的响应信号对应起来（Analytical Chemistry, Supplementary Cover, 2023, 95(15), 6374-6382）。这样，通过响应信号，推导出粒子的瞬间空间位置，代入对应的电学模型中，即可实现更为准确的单细胞电学特性测量。图5. 合成类细胞脂质体评估电阻抗测量的准确性及位置误差估计针对窄流道电阻抗易堵塞的问题，提出了在阻抗流式术中使用非导电粘性鞘液的方法（图6）。此前的研究还没有搞清使用流道和鞘液在阻抗测量方面的准确性是否有变化，以及使用什么样的鞘液性能更好。因此，首先在流道MC和鞘液SC上下游两处布置了电极测量阻抗，发现文献中报道过的辛醇和去离子水表现不一样，其中去离子水作鞘液时，阻抗准确性降低显著，而辛醇则变化不大。由此推断鞘液-主流道溶液界面的稳定性至关重要。通过使用具有不同粘性的PEG溶液作为鞘液，实验证明粘性越高，鞘液-主流道溶液界面的稳定性越高，准确性越高。此外，PEG溶液还能让阻抗测量的信噪比（1.42x）、灵敏度（7.92x）都有所提升，在半小时的实验中没有观察到堵塞或堵塞的迹象。从获得的电阻抗信号中解算出细胞电学参数，并用于典型的细胞分类应用，其准确度可达93%，与不使用鞘液的阻抗流式取得的最好表现相当（Lab on a Chip, Inside Back Cover, 2023, 23, 2531-2539）。图6. 使用非导电粘附鞘液提升电阻抗测量性能以上这些进展，丰富了阻抗流式细胞术的技术体系，提出的技术和方法对平台的架构关系并不是紧密耦合，其适用性较为宽广，可在阻抗流式细胞术的不同平台实现中灵活选用。致谢：感谢国家自然科学基金的资助，NSFC (no. 62174096, 52105572)。