近日，微电子所健康电子中心黄成军研究员、赵阳副研究员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。
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一个新维度。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。但现有的电学检测方法难以实现高通量实时性分析，严重限制了需要大量系统实验的单细胞电学特性研究的开展。
面对这一难题，研究团队提出了一种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）。该技术能在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，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了实时表征分析。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。
近期，基于本研究成果的论文以“piRT-IFC: Physics-informed real-time impedance flow cytometry for the characterization of cellular intrinsic electrical properties”为题发表在国际著名期刊Microsystem and Nanoengineering上，微电子所博士研究生栾晓凤为该文章的第一作者，微电子所黄成军研究员、赵阳副研究员和中科院计算所支天高级工程师为该文章的共同通讯作者。（参见：https://www.nature.com/articles/s41378-023-00545-9）
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，并进一步成功研发实时高通量单细胞电学特性流式分析仪（图2）。仪器入选中科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、中科院计算所等单位展开合作研究，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，成功发现新型标志物，验证了相关药物候选分子的作用、获得授权专利。课题组的相关成果近年分别在传感器领域知名的国际期刊Microsystem and Nanoengineering（2023年2篇）、Sensors and Actuators B: chemical（2022年）、Aging and Disease（2023年）、Biosensors and Bioelectronics（2018年），Biodesign and Manufacturing（2022年）等发表。并且，相关技术研究成果获得2020年中国仪器仪表学会技术发明二等奖。
上述研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委、北京市、中科院的相关项目支持。
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）
科研工作