阻抗仪原理

实时阻抗流式细胞分析仪（piRT-IFC）研发进展单细胞电学特性生物传感与分析技术为单细胞生物物理学研究提供了新维度。该技术已被证明在全血分析、肿瘤细胞分型和免疫细胞状态评估方面具有重要的应用潜力。然而，现有的电学检测方法难以实现高通量实时性分析，限制了需要大量系统实验的单细胞电学特性研究的开展。 近日，中国科学院微电子研究所健康电子中心研究员黄成军、副研究员赵阳团队，在单细胞电学特性流式分析方法及高通量实时分析仪器研究方面取得重要进展。该团队提出了快速并行物理拟合求解器，仅需0.62 毫秒即可在线求解出单个细胞膜比电容和细胞质电导率。与传统求解器相比，在不损失准确度的前提下，速度提升了27000倍，且不需要任何数据预采集和预训练过程，进一步实现了基于物理模型信息的实时阻抗流式细胞分析仪（piRT-IFC）（图1）。该技术可在50分钟内实时表征高达100902个单细胞，具有高稳定性、高通量、实时化和全流程自动化等特点。作为示范应用，该团队对药物处理后HL-60中性粒细胞脱粒现象这一典型的快速变化的生物过程进行实时表征分析。与普遍采用的神经网络辅助加速方法对比研究表明，piRT-IFC具有速度快、准确度高和泛化能力强的优势，具备广泛的应用潜力。 相关研究成果以piRT-IFC: Physics-informed real-time impedance flow cytometry for the characterization of cellular intrinsic electrical properties为题，发表在《微系统与纳米工程》（Microsystem and Nanoengineering）上。该研究由微电子所和计算技术研究所合作完成。研究工作得到科学技术部、国家自然科学基金委员会、北京市和中国科学院的支持。近年来，该课题组面对单细胞物理特性检测存在敏感机理不明和技术实现困难等关键技术瓶颈，开创性提出了基于微流控技术的“交叉压缩通道”敏感新原理和单细胞电学模型，建立了基于微流控芯片的单细胞电学特性高通量定量检测方法，检测参数包括细胞膜比电容和胞浆电导率，通量比膜片钳等常规方法高10000倍，并进一步研发出实时高通量单细胞电学特性流式分析仪（图2）。仪器入选中国科学院自主研制科学仪器名录，与首都医科大学宣武医院、首都医科大学附属北京胸科医院、计算所等单位合作，成功用于脑卒中动物模型、癌症病人样本、药物模型等领域的多种细胞的分析，为肿瘤/脑卒中等精准诊断、药物筛选等提供了有力工具，并发现了新型标志物，验证了相关药物候选分子的作用、获得授权专利。论文链接 图1. 实时阻抗流式细胞分析仪（piRT-IFC）原理样机、核心微流控芯片、设备交互界面、典型结果和自动化实时数据处理流程 图2. 基于微流控芯片技术的单细胞电学特性活体单细胞分析仪（左）及核心微流控芯片（右）

流式细胞仪器技术的发展日益更新，而在近几年，阻抗流式和在体流式引起了大家兴趣和研究。阻抗流式因其具有对生物细胞进行无标记表征的潜力，而且其芯片制造过程简单，可以探测细胞结构的不同部分备受关注。在体流式，因其可实现免抽血、实时、动态、连续、无创、定量检测/监测人体或动物循环系统中的细胞、分子、纳米颗粒等目标物质，获取多维度的科研或临床数据，直接反映人或实验动物体内环境真实的分子、生理、代谢、药物等方面的参数和状态，区别于传统离体检测方式。此外，还有基于微流控芯片技术的流式分选，以及质谱流式、组织成像质谱流式等技术也广泛应用于科学研究。不断迭代创新的流式细胞技术能解决哪些关键问题？又有哪些创新的研究进展？仪器信息网第五届流式细胞网络会议（iConference on Flow Cytometry，iCFCM 2023）特设【流式新技术新产品】专场。该专场由北京大学魏勋斌教授、清华大学王文会教授、中国科学院苏州生物医学工程技术研究所王策研究员、中国科学院微电子研究所赵阳研究员等4位专家学者在线分享流式研发及应用进展。不仅如此，贝克曼库尔特、美天旎生物、Standard BioTools也将在本会场分享流式细胞仪技术与应用解决方案。 部分精彩报告预览 报告题目：可无创免抽血动态监测循环(肿瘤)细胞的光学活体流式细胞仪报告人：魏勋斌 北京大学医学技术研究院 副院长/教授【摘要】 活体流式细胞仪结合实时高速荧光影像方法和体外流式细胞仪的原理，实现了活体、实时、无损、定量检测循环系统内细胞群体。由于避免了抽血，该光学技术可长时间、连续地对同一活体的循环系统内细胞进行动态监测。这项技术可用于循环肿瘤细胞的监测，适用于肿瘤研究和血液细胞的免疫分析研究等报告题目：阻抗流式单细胞表征新方法报告人：王文会 清华大学 副教授【摘要】 单细胞的生物物理特性可揭示细胞的基本结构及生理状态，对疾病诊断意义重大。针对单细胞本征特性表征过程中尚存在的问题，提出了一系列高效、实时在线、防堵塞、多模态和准确的阻抗流式术表征新方法，丰富了阻抗流式细胞术的技术体系。报告题目：从技术参数角度看流式细胞仪发展趋势报告人：王策 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 研究员【摘要】 流式细胞仪器技术是一种多学科交叉技术。自上世纪70年代问世以来得以快速发展。尤其是近十年随着半导体技术、生物技术的进步呈现加速的趋势。临床与科研需求的推动也促进了流式细胞仪器在多参数、高灵敏、高通量、智能化等方面的发展以及流式光谱、成像等新功能形态的出现。报告题目：细胞电学流式分析方法与仪器报告人：赵阳 中国科学院微电子研究所 副研究员【摘要】面对单细胞固有电学特性测不快、传感原理不明等难题，我们提出一种基于交叉压缩通道的检测方法，将检测通量提升了1万倍。并设计了一种基于物理模型快速求解器的实时阻抗流式细胞分析仪（piRT-IFC），实现了“细胞进，结果实时出”的全流程自动化处理能力，并验证其在未知细胞样本上具有相较神经网络加速方法更好的泛化能力。以上仅为部分报告嘉宾预告，更多精彩内容请查看会议页面：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/icfcm2023/ iCCA 2023 交流群 温馨提示:1) 报名后，直播前助教会统一审核，审核通过后，会发送参会链接给报名手机号。填写不完整或填写内容敷衍将不予审核。2) 通过审核后，会议当天您将收到短信提醒。点击短信链接，输入报名手机号，即可参会。

p 　　记者从中国科学技术大学获悉：该校杜江峰院士领导的中科院微观磁共振重点实验室在医学电阻抗成像方面取得重要进展，他们利用参数化水平集方法实现了高分辨的电阻抗图像重建。该成果发表在医学成像领域国际顶级期刊《医学影像》上。 /p p 　　电阻抗成像技术是根据生物体内不同组织在不同功能状态下具有不同电阻抗的原理，通过在生物体体表注入安全激励电流，测量体表响应电压，重建生物体内部的电阻抗分布，从而反映体内结构及功能的新型医学成像技术。由于电阻抗成像具有功能成像的特点，而且对人体无害、使用方便、设备价格相对低廉，成为近年来国内外研究的热点。但电阻抗重建图像通常分辨率较低且对模型误差极为敏感，因此开发高效、稳定且具有高分辨能力的成像算法是电阻抗技术的关键和难点。 /p p 　　杜江峰院士团队通过利用近年来发展起来的参数化水平集方法及临床医学上现有信息，设计了新的电阻抗成像算法，成功实现高分辨的电阻抗图像重建，并通过大量仿真实验验证了算法的有效性和可行性，结果表明该算法不仅具有高分辨图像重建能力，而且对医学电阻抗成像中普遍存在的模型误差、参数优化设置方式等具有很好的稳定性。 /p p 　　据介绍，该研究成果有望推动电阻抗成像技术向更为实用的应用方向发展，例如肺部临床电阻抗成像等。 /p