测量生物细胞随频率变化的电阻抗,即电阻抗谱(EIS),在区分不同类型或不同状态的细胞方面显示出巨大的潜力。这种非标记和非侵入性技术可与微流控技术相结合,实现快速的单细胞分析。EIS结合微流控技术的应用实例包括分析白细胞亚群、区分病变红细胞与健康红细胞以及干细胞分化研究。本研究利用Ampha Z32 阻抗流式细胞仪(Amphasys,瑞士)在 0.3 至 30 MHz 频率范围内测量了中国仓鼠卵巢 CHO 细胞在营养缺乏条件下逐渐凋亡时阻抗振幅和相位的变化。然后采用了CHO 细胞双壳模型和灵敏度分析,确定了最佳测量频率和外部介质电导率,从而成功区分存活和凋亡的 CHO 细胞。图1B 阻抗流式细胞仪(Ampha Z32,Amphasys AG)信号的采集和转导A)细胞在不同频率的交流电场中的检测结果,低频下反映细胞的体积特性,高频下反映细胞膜的介电特性即细胞活性;B) 微流控芯片;C)流经交流电场的细胞的阻抗信号(蓝色实部即电阻信号,绿色虚部即容性电抗信号),细胞膜完整性决定容性电抗的大小,故可通过虚部信号来区分活细胞和死细胞,最终以阻抗相位角-振幅散点图反映出来当单个细胞流经微流控芯片的两组平行电极时,阻抗流式细胞仪将测量微流体通道中单细胞的多频阻抗。电场中活细胞的等效电路由电阻(细胞质)和电容(细胞膜)组成,在笛卡尔坐标系中,阻抗Z(ω)可以描述为实部分Zr(ω)或电阻与虚部分Zi(ω)或容性电抗的矢量和。在β-色散频率区域,假设细胞体积与电极测量体积相比较小(体积分数较小),测量的差分阻抗(以一组电极为参考)与细胞的复介电常数
有关,如下所示:
:外部介质的复介电常数;ε :角频率;φ:体积分数;KCM:克劳修斯-莫索提系数;K:电极常数;ε ̃_cell:单壳或双壳模型介电常数(与细胞特性相关)。本次研究在较高频率下测得的阻抗显示,在0时有一个存活细胞群,而在营养缺乏 48 小时后,存活细胞和凋亡细胞有两个不同的细胞群。这一结果与介电泳测量技术的测量结果一致。而与介电泳相比,EIS 的优势在于可同时进行多频率测量,从而提供更广泛的细胞生理状态信息。该方法可广泛用于生物制药行业,对生物过程进行持续监测