0 引言

    惡性腫瘤已成為我國死亡率最高的重大疾病之一，90%以上的腫瘤病人死于腫瘤的轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)^[1]。最新的研究表明，血液中的循環(huán)腫瘤細(xì)胞(Circulating Tumor Cells，CTCs)由于其直接來于源腫瘤組織，可以直接反應(yīng)腫瘤的大小、類型等，用于多種腫瘤的療效評價、復(fù)發(fā)及轉(zhuǎn)移的監(jiān)測。建立高通量、高靈敏度的CTCs檢測方法，是近年來的研究熱點，具有重要的科學(xué)意義和臨床應(yīng)用價值^[2]。

    當(dāng)前CTCs的檢測方法主要分為兩大類，一類是依靠識別表達(dá)于腫瘤細(xì)胞膜表面的特異性標(biāo)志物(如EpCAM、HER-2等)來實現(xiàn)CTCs的捕獲與鑒定；另一類則是直接利用CTCs自身的物理特性(如在大小、密度、電學(xué)特性等方面)與普通細(xì)胞的差異來實現(xiàn)CTCs的捕獲與檢測。近年來，隨著微流控芯片技術(shù)的發(fā)展，基于CTCs物理特性的“免標(biāo)記”檢測方式越來越受到重視。基于細(xì)胞介電電泳(Dielectrophoresis，DEP)原理的CTCs捕獲技術(shù)，因為較高的特異性和非侵入性，受到研究者的青睞。GASCOYNE P R研究發(fā)現(xiàn)，不同種類的細(xì)胞，存在著一個具有較高特異性的介電電泳特征譜，可用于不同腫瘤細(xì)胞的分離^[3]?；谶@種介電特性，不同的研究小組設(shè)計了形式各異的介電電泳細(xì)胞捕獲生物芯片，用于CTCs的分離與檢測^[4-5]。HUANG C設(shè)計了一種四電極系統(tǒng)芯片，可以實現(xiàn)對單個腫瘤細(xì)胞的特異性捕獲、定位及細(xì)胞電裂解等多種功能^[6]。但是，該種介電電泳細(xì)胞捕獲芯片的每個微電極都由一路獨立的電信號驅(qū)動，在有限的芯片面積上，只能實現(xiàn)單個或少數(shù)腫瘤細(xì)胞的檢測，通量較低。

    本文提出了適用于一種高通量的介電電泳細(xì)胞芯片的控制電路系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的控制程序和尋址電路，可以實現(xiàn)對具有32×32微電極單元的陣列型細(xì)胞捕獲生物芯片進(jìn)行微電極單元尋址、介電電泳電壓信號加載、程序UI智能控制等功能，從而為高通量、可尋址的細(xì)胞捕獲生物芯片的研究提供了一種解決方案。

1 細(xì)胞捕獲芯片的工作機理

    細(xì)胞處在非均勻電場中，由于極化效應(yīng)產(chǎn)生介電電泳現(xiàn)象^[7]。細(xì)胞所受的介電電泳力跟電極上所加信號的幅度、頻率、電極間的距離、細(xì)胞自身的物理特性(如細(xì)胞膜電容、電導(dǎo)等)有關(guān)。為了利用細(xì)胞的介電電泳效應(yīng)特異性的捕獲腫瘤細(xì)胞，在細(xì)胞捕獲芯片上加載的介電電泳信號是至關(guān)重要的。

    本文所設(shè)計電路控制系統(tǒng)驅(qū)動的細(xì)胞捕獲生物芯片如圖1所示。芯片為32×32的陣列結(jié)構(gòu)，共1 024個單元，每個單元由一對微電極構(gòu)成。所設(shè)計的電路控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)對該1 024個單元的尋址，并將特定幅值、相位和頻率的交流信號加載到使能的微電極對上，以用于介電電泳細(xì)胞捕獲^[7]。

    針對圖1介電電泳細(xì)胞捕獲生物芯片的控制電路需求，本文提出的驅(qū)動電路設(shè)計方案基于圖2的工作原理，以4行×4列的微電極陣列為例，微電極陣列的所有行和列電極都接地(GND)，均處于非使能狀態(tài)，如圖2(a)所示；當(dāng)需要使能第2行、第2列微電極單元，如圖2(b)所示，控制系統(tǒng)將第2列的電極加載正弦波，第2行的電極加載反相正弦波；而處在第2行或第2列的其他微電極單元，由于僅一個微電極加載有正弦波信號，所以產(chǎn)生的介電電泳力僅為第2行、第2列微電極單元的1/4^[7]，通過調(diào)整正弦波信號的幅度、頻率，僅使第2行、第2列的微電極產(chǎn)生的介電電泳力高于細(xì)胞捕獲的閾值，而第2行其他列(或第2列其他行)的介電電泳力均小于該閾值，從而實現(xiàn)對細(xì)胞捕獲芯片上1 024個微電極單元的尋址功能。

2 細(xì)胞捕獲生物芯片電學(xué)控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

    該系統(tǒng)包括上位機的控制程序模塊和下位機的控制電路模塊。下位機的控制模塊又包括微控制器（MCU）控制單元、信號產(chǎn)生單元、開關(guān)控制單元。上位機的控制程序通過USB控制下位機，同時給下位機供電；下位機由一個微控制器來控制開關(guān)電路；差分放大電路將信號發(fā)生器產(chǎn)生的單路正弦波信號轉(zhuǎn)換成兩路相位差為π的正弦信號，再通過由MCU控制的開關(guān)電路，將兩路差分信號輸出給指定的微流控芯片的行電極和列電極。其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.2 上位機的控制程序模塊設(shè)計

    由于該細(xì)胞捕獲生物芯片的電學(xué)控制系統(tǒng)需要對64路輸出通道進(jìn)行控制，為了方便操作者智能、快速地操控，本文設(shè)計了基于Qt開發(fā)上位機的控制程序模塊，主要通過USB實現(xiàn)與下位機的控制電路連接的功能。實驗中，顯微鏡的CCD相機拍攝到微電極陣列芯片的照片后，可以在上位機控制程序中進(jìn)行添加、編輯等操作，操作者可以通過上位機控制程序用戶界面（UI）來觀察芯片上的微電極陣列。根據(jù)不同的細(xì)胞實驗需求，當(dāng)需要使能特定的行和列時，在上位機控制程序UI中點擊相應(yīng)的行和列的按鈕，即可使能該微電極單元，再次點擊即可不使能該微電極單元。為了擴展功能，上位機控制程序還可以實現(xiàn)一鍵使能或不使能所有行電極和列電極，從而達(dá)到上位機智能控制的目的。

2.3 下位機控制電路模塊設(shè)計

    下位機控制電路模塊的主要部分是微控制器（MCU）單元，它負(fù)責(zé)與上位機之間的通信，同時控制下位機中其他的電路模塊。64路通道的微電極陣列芯片，其32行、32列的64個電極需要選擇性加載正弦波信號，同時行電極和列電極的所加的正弦波信號的相位差為π。要對信號的選擇性導(dǎo)通，下位機控制模塊中就需要模擬開關(guān)單元；正弦波信號的差分輸出就需要差分放大單元。下位機控制電路模塊設(shè)計如圖4所示，主要包括微控制器（MCU）單元、差分放大單元、模擬開關(guān)單元3個部分。

    MCU選擇ST的STM32F105VCT6，有80個可用的IO資源，完全滿足64路輸出通道的需求。差分放大芯片選擇ADI高速差分放大器AD8132，它是一款低成本、差分或單端輸入的差分輸出放大器，通過電阻設(shè)置增益^[8]。開關(guān)電路選用ADI的四路獨立單刀雙擲開關(guān)芯片ADG333A，具有低導(dǎo)通阻抗。

    基于AD8132的差分放大電路的原理圖如圖5所示。

    AD8132提供了兩個等比反饋網(wǎng)路，為了匹配寄生效應(yīng)，這兩個網(wǎng)絡(luò)由兩個等值反饋電阻（Rf）和兩個等值增益電阻（Rg）構(gòu)成^[7]。而且電路中，差模輸出增益G=Rf/Rg，所以可以通過調(diào)整Rf和Rg的電阻比例大小來調(diào)整電路的增益，本文設(shè)計中，要求增益為1，故使Rf和Rg阻值相等。

3 系統(tǒng)功能測試

    根據(jù)圖4所示的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計了電路原理圖，制備了印制電路板，并進(jìn)行了元器件的焊接，然后對其電學(xué)性能進(jìn)行了測試，搭建了測試平臺。當(dāng)需要尋址特定微電極單元時，通過操作上位機，點擊相應(yīng)上位機控制程序UI的行按鈕和列按鈕，實現(xiàn)對該微電極單元的使能，將正相、反相正弦電壓信號加載到該微電機單元。差分放大單元的輸入信號由Aligent的33621A信號發(fā)生器（輸出信號最大頻率可達(dá)120 MHz）產(chǎn)生。采用Aligent的四通道示波器MSO-X 2024A(最高頻率可達(dá)200 MHz)實時觀測加載到指定微電極單元的信號。

    電路測試結(jié)果如圖6所示，當(dāng)輸入信號為Vpp=2 V、頻率為1 kHz的正弦波時，經(jīng)本文的控制電路后，由于差分放大電路的增益G=1，此時兩路單端輸出信號為1 kHz、峰峰值Vpp=1 V、相位差為π兩路正弦波，其中同相輸出端的波形如圖6（a）所示，反相輸出端的波形如圖6（b）所示。

    當(dāng)使能細(xì)胞捕獲生物芯片中第2行、第2列的微電極單元后，用示波器測量加載第2行、第2列的微單元所對應(yīng)下位機輸出通道的信號，圖7為測量波形圖。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計了一款專門適用于可尋址的高通量微電極陣列型細(xì)胞捕獲生物芯片的控制電路系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對32×32個微電極單元尋址、介電電泳電壓信號的選擇性加載、上位機程序UI控制等功能。該系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，采用上位機的人機交互界面操控。該系統(tǒng)的研發(fā)對進(jìn)一步促進(jìn)細(xì)胞介電電泳技術(shù)在腫瘤細(xì)胞的早期檢測方面的應(yīng)用具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 呂曉慶，李雷，陳紅梅，等.微流控芯片技術(shù)在循環(huán)腫瘤細(xì)胞分離中的研究進(jìn)展[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2015，42(4)：301-312.

[2] 王英慧，王麗茹，孫巍，等.晚期非小細(xì)胞肺癌患者外周血循環(huán)腫瘤細(xì)胞檢測5例并文獻(xiàn)復(fù)習(xí)[J].中國醫(yī)藥指南，2014(22)：269-270.

[3] GASCOYNE P R，SHIM S.Isolation of circulating tumor cells by dielectrophoresis[J].Cancers，2014，6(1)：545-579.

[4] SHIM S，STEMKEHALE K，NOSHARI J，et al.Dielectro-phoresis has broad applicability to marker-free isolation of tumor cells from blood by microfluidic systems[J].Biomi-crofluidics，2013，7(1)：011808.

[5] HAROUAKA R A，NISIC M，ZHENG S Y.Circulating tumor cell enrichment based on physical properties[J].Journal of the Association for Laboratory Automation，2013，18(6)：455-68.

[6] HUANG C，LIU C，LOO J，et al.Single cell viability observation in cell dielectrophoretic trapping on a microchip[J].Applied Physics Letters，2014，104(1)：013703.

[7] FORSHAW J R，GODDARD P，YEOMANS J.Quantum chromodynamics and the pomeron[M].Cambridge University Press.，1997.

[8] 屈翠香，李剛.低成本高速差動放大器AD8132[J].電子設(shè)計工程，2001(11)：25-27.

作者信息：

李生輝1，2，3，盧小冬2，黃成軍2，3

（1.中國科學(xué)院微電子研究所 健康電子研發(fā)中心，北京100029；

2.中國科學(xué)院微電子研究所 新一代通信射頻芯片技術(shù)北京市重點實驗室，北京100029；

3.中國科學(xué)院大學(xué) 未來技術(shù)學(xué)院，北京101400）