姚佳烽 萬(wàn)建芬 楊璐 劉凱 陳柏 吳洪濤

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 南京 210016)

1 引 言

免疫細(xì)胞化學(xué)法[1]、流式細(xì)胞術(shù)[2]以及核酸檢測(cè)法[3]是細(xì)胞生理、病理分析中常用的方式, 但是這些方法存在檢測(cè)速度慢、需要標(biāo)記等問(wèn)題. 生物阻抗譜(biological impedance spectroscopy, BIS)方法是一種利用生物組織的電阻抗特性提取相應(yīng)生理、病理信息的檢測(cè)技術(shù)[4], 該方法通過(guò)對(duì)被測(cè)物體施加幅值較小的交流激勵(lì), 使用掃頻的方式測(cè)量每種頻率下檢測(cè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的阻抗值[5]. BIS 技術(shù)通過(guò)交流電阻抗技術(shù)檢測(cè)生物細(xì)胞的電導(dǎo)率和介電常數(shù), 并引入電介質(zhì)物理模型的數(shù)值計(jì)算, 獲得細(xì)胞外液、細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)的電學(xué)信息, 由此來(lái)區(qū)分不同種類的細(xì)胞[6]. 生物細(xì)胞作為非均勻結(jié)構(gòu)(細(xì)胞外、細(xì)胞膜和細(xì)胞質(zhì)), 其電學(xué)特性具有異質(zhì)性. 當(dāng)交流電場(chǎng)作用于細(xì)胞時(shí), 細(xì)胞的介電響應(yīng)出現(xiàn)a 色散和b 色散的弛豫現(xiàn)象[7], 可以利用該弛豫現(xiàn)象對(duì)細(xì)胞的不同結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行檢測(cè)識(shí)別. 因此,BIS 成為研究細(xì)胞結(jié)構(gòu)特性及細(xì)胞分類識(shí)別的一種新方式.

BIS 方法具有操作簡(jiǎn)單、信息豐富等特點(diǎn), 國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量學(xué)者在BIS 的細(xì)胞檢測(cè)方面做了大量研究. 1989 年Hodgkin 和Huxley[8]根據(jù)細(xì)胞膜選擇通透性的特點(diǎn), 提出了細(xì)胞膜等效電路模型, 而后1983 年Kanai 等[9]結(jié)合細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)、細(xì)胞外液等特性建立起單細(xì)胞等效電路模型.2014 年寧波大學(xué)方云等[10]建立了細(xì)胞單殼模型,對(duì)肝癌細(xì)胞電阻抗特性的頻響特性進(jìn)行分析, 采用生物阻抗譜、Bode 圖和Nyquist 圖觀察了細(xì)胞體積分?jǐn)?shù)對(duì)肝癌細(xì)胞電阻抗特性的影響. 2010 年空軍軍醫(yī)大學(xué)王威等[11]根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)建立橢圓細(xì)胞模型, 用于COMSOL 仿真來(lái)研究細(xì)胞變形引起的阻抗變化. 2016 年Nahin Amin 等[12]通過(guò)建立細(xì)胞模型以及等效電路得出細(xì)胞尺寸、膜厚以及內(nèi)部細(xì)胞核的大小和細(xì)胞質(zhì)的密度對(duì)阻抗的影響, 同時(shí)提出采用混合電極法以消除測(cè)量時(shí)接觸阻抗的影響. 2010 年Sun 等[13]建立了細(xì)胞的單殼模型, 通過(guò)調(diào)整細(xì)胞膜及細(xì)胞質(zhì)等結(jié)構(gòu)的變化參數(shù)對(duì)單細(xì)胞的生物阻抗譜進(jìn)行了數(shù)值分析, 探索了細(xì)胞在不同生長(zhǎng)階段的電學(xué)特性規(guī)律. 2015 年Guo 等[14]提出一款可降低接觸阻抗的微流控芯片用以單細(xì)胞阻抗測(cè)量, 而后通過(guò)對(duì)該芯片獲得阻抗數(shù)據(jù)分析獲取細(xì)胞的電學(xué)特性. 2016 年?yáng)|南大學(xué)Zhu 等[15]利用有限元建模方式研究微流控BIS 的幾何相關(guān)傳感特性.

目前大多數(shù)學(xué)者普遍采用建立等效電路模型擬合的方式獲得所測(cè)物體的各個(gè)成分的電學(xué)特性(導(dǎo)電率、介電常數(shù)), 這種方式獲得細(xì)胞的電學(xué)特性是可行的, 但在解釋細(xì)胞結(jié)構(gòu)所引起的電阻抗變化的內(nèi)在機(jī)理方面仍然存在局限性. 因此, 本文采用數(shù)值仿真的方法對(duì)細(xì)胞引起的電阻抗變化的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行分析, 研究細(xì)胞內(nèi)在結(jié)構(gòu)與其電學(xué)特性之間的關(guān)系. 首先, 建立雙殼模型(two shell model, TS)[16,17]、單殼模型(single shell model, SS)[18]以及無(wú)殼模型, 作為細(xì)胞的仿真模型. 其次, 基于電學(xué)仿真理論, 研究細(xì)胞各組成成分結(jié)構(gòu)的變化對(duì)其電阻抗的影響. 最后, 使用20%不同活性的酵母菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證.

2 仿真模型與理論

2.1 仿真模型

為研究細(xì)胞各結(jié)構(gòu)對(duì)阻抗譜的影響, 建立多種不同結(jié)構(gòu)、尺寸的細(xì)胞模型. 包括TS 模型(圖1(a))、SS 模 型(圖1(b))、“無(wú) 殼 模 型(no shell model,NS)”(圖1(c)). 由于大部分細(xì)胞內(nèi)部都具有細(xì)胞核, TS 模型即是考慮細(xì)胞核的情況下建立的細(xì)胞模型; 成熟的紅細(xì)胞(內(nèi)部無(wú)細(xì)胞器、細(xì)胞核)這類細(xì)胞則不需考慮細(xì)胞核的影響而建立起SS 模型,通過(guò)建立的TS, SS 模型的比較, 還可以很好地反映出細(xì)胞核的大小對(duì)生物阻抗的影響; NS 模型則是為了與SS 模型進(jìn)行比較以研究細(xì)胞膜對(duì)生物阻抗譜的影響而建立的細(xì)胞模型.

采用不同細(xì)胞半徑(正常B 細(xì)胞R1= 3.3 μm,癌B 細(xì)胞R1= 5.2 μm)[19]以及細(xì)胞核半徑(正常B 細(xì)胞R2= 2.8 μm, 癌B 細(xì)胞R2= 4.4 μm)的方式模擬正常細(xì)胞和癌細(xì)胞兩種類別. 基于SS 模型將膜的雙層框架改為單層以模擬“無(wú)膜”狀態(tài), 并將此模型與SS 模型進(jìn)行對(duì)比以分析細(xì)胞膜對(duì)阻抗譜的影響. 細(xì)胞核的半徑分別定為R2= 2.8, 1.9,1.5 μm 以及R2= 0 以探索細(xì)胞核對(duì)電阻抗的影響. 本文設(shè)定仿真區(qū)域(L×L= 20 μm × 20 μm),其中測(cè)量電極(l= 4 μm)對(duì)稱地放置在仿真邊界的兩側(cè), 如圖1(d)和圖1(e)所示.

2.2 仿真理論

本文基于Maxwell 理論進(jìn)行有限元仿真, 忽略電極與細(xì)胞外液間的界面極化以及外界噪聲和電磁影響, 仿真中滿足如下公式[20,21]:

式中J(A/m2)為全電流密度,E(V/m)為場(chǎng)強(qiáng),j(V)為 電 勢(shì),σ(S/m)為 導(dǎo) 電 率,,ω(Hz)為角頻率,D(C/m2)為電位移矢量. 根據(jù)Maxwell-Wager 理論, 細(xì)胞的復(fù)介電常數(shù)按如下公式表示[22]:

圖1 仿真模型 (a)?(c)細(xì)胞模型; (d), (e)仿真區(qū)域模型Fig. 1. Simulation model (a)?(c) Model of cell; (d), (e) model of simulation area.

根據(jù)(4)式—(7)式, 在仿真過(guò)程中選定細(xì)胞各結(jié)構(gòu)電學(xué)特性參數(shù), 如表1 所列. 根據(jù)BIS 測(cè)量原理, 在有限元仿真中還需選定相應(yīng)的掃描頻率及掃描點(diǎn)來(lái)完成對(duì)細(xì)胞的仿真檢測(cè). 本研究中使用的激勵(lì)源賦值為1 mA, 頻域范圍f為4 Hz—1 GHz.

表1 正常B 細(xì)胞及病變B 細(xì)胞的仿真參數(shù)Table 1. Simulation parameters of normal and malignant (farage) onsillar B-cells[19].

3 仿真結(jié)果

3.1 細(xì)胞種類與細(xì)胞電學(xué)特性

目前典型的三類細(xì)胞有: 正常細(xì)胞(有細(xì)胞核、細(xì)胞器)、成熟紅細(xì)胞(無(wú)細(xì)胞核、無(wú)細(xì)胞器)和腫瘤細(xì)胞(尺寸較大、表面粗糙). 為研究不同種類細(xì)胞的電學(xué)特性差異, 本文以B 細(xì)胞各結(jié)構(gòu)成分為研究基礎(chǔ), 建立無(wú)核細(xì)胞(圖1(b))、帶核細(xì)胞(圖1(a))以及細(xì)胞半徑、細(xì)胞核半徑有所增大的癌細(xì)胞模型進(jìn)行仿真研究, 通過(guò)研究這三類細(xì)胞電學(xué)特性參數(shù)對(duì)生物阻抗譜的影響, 獲得細(xì)胞類別與其電學(xué)特性之間的內(nèi)在機(jī)理.

由于在低頻時(shí)細(xì)胞膜呈現(xiàn)高阻值狀態(tài), 因此從圖2(a) (1-1), (2-1), (3-1)可看出在f= 10.5 kHz時(shí), 電場(chǎng)線均繞過(guò)細(xì)胞從細(xì)胞外液中流過(guò). 由圖2(a)可看出細(xì)胞內(nèi)的電勢(shì)隨頻率的增加而升高. 頻率f= 3 MHz 時(shí), 圖2(a)中的(1-2), (2-2), (3-2)中細(xì)胞內(nèi)有大量的電場(chǎng)線流過(guò), 細(xì)胞內(nèi)同位置的電勢(shì)j1-2

圖2 不同細(xì)胞的仿真結(jié)果及Cole-Cole Plot (a)不同細(xì)胞在不同頻率下的仿真結(jié)果; (b)不同細(xì)胞的Cole-Cole PlotFig. 2. Simulation results of different cells and Cole-Cole Plot: (a) Simulation results of different frequencies of different cells; (b) Cole-Cole Plot of different cells.

由圖2(b)可看出這三類細(xì)胞Cole-Cole Plot都有兩個(gè)半圓弧. 但是在低頻段(4 Hz—3 MHz)有較大的區(qū)別: 癌細(xì)胞在該頻段的圓弧面積明顯大于無(wú)核細(xì)胞與有核細(xì)胞的圓弧面積, 并且在該頻段癌細(xì)胞的馳豫頻率f1 C= 7.08545 × 105Hz, 無(wú)核與帶核的馳豫頻率f1N= f1W= 1.251258 × 106Hz.高頻段(3 MHz—1 GHz)三類細(xì)胞的圓弧曲線基本重合, 細(xì)胞的馳豫頻域f2N= f2W= f2C= 1.3687× 108Hz.

由此可得出以下結(jié)論: 1)細(xì)胞半徑越大(正常細(xì)胞R1= 3.3 μm, 癌細(xì)胞R1= 5.2 μm)則低頻段的馳豫頻率越低; 2)細(xì)胞膜導(dǎo)電率越高(正常細(xì)胞導(dǎo)電率s = 5.6 × 10–5S/m, 癌細(xì)胞s = 9.1 ×10–6S/m)則低頻段的Cole-Cole Plot 的面積越小.因此, 細(xì)胞結(jié)構(gòu)尺寸的變化引起細(xì)胞電學(xué)特性的改變, 依據(jù)細(xì)胞電學(xué)特性能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行細(xì)胞分類.

3.2 細(xì)胞膜對(duì)細(xì)胞電學(xué)特性的影響

由圖2(b)中Cole-Cole 圖可看出三類細(xì)胞在都呈現(xiàn)出兩個(gè)半圓弧, 這也就意味著細(xì)胞產(chǎn)生了兩種介電弛豫. 因此為了探索這兩種介電弛豫產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理, 本文基于SS 模型, 對(duì)其進(jìn)行仿真分析.

圖3(a)細(xì)胞內(nèi)的電勢(shì)隨頻率的升高逐漸增大,由于細(xì)胞膜具有低頻高阻抗性, 因此在頻率f =10.5 kHz 時(shí), 圖3(a) (1-1)細(xì)胞內(nèi)基本無(wú)電場(chǎng)線穿過(guò), 而(2-1) 細(xì)胞內(nèi)已經(jīng)有大量的電場(chǎng)線穿過(guò); f =3 MHz 時(shí), 細(xì)胞膜的阻抗降低, 圖3(a) (1-2) 細(xì)胞內(nèi)有電場(chǎng)線通過(guò), 且細(xì)胞內(nèi)同位置的電勢(shì)與圖3(a)(2-2)近似相等. f = 1 GHz 時(shí), 細(xì)胞已經(jīng)完全被擊穿, 此時(shí)的細(xì)胞已經(jīng)處于完全導(dǎo)通狀態(tài). 圖3(b)中SS 模型有無(wú)膜在Cole-Cole Plot 已經(jīng)有很大的區(qū)分: 有膜的SS 細(xì)胞模型依舊在Cole-Cole 圖上呈現(xiàn)出高頻低頻兩個(gè)半圓弧, 而無(wú)膜的SS 細(xì)胞模型在Cole-Cole 圖上只剩下一個(gè)大半圓弧且與有膜狀態(tài)下的大半圓弧重合.

由于“無(wú)膜”狀態(tài)下的SS 細(xì)胞模型內(nèi)部只有細(xì)胞質(zhì)的存在, 因此, 得出以下結(jié)論: 1)無(wú)核無(wú)膜下Cole-Cole 圖中的高頻圓弧為細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞外液的離子極化引起的; 2)有膜無(wú)核細(xì)胞較無(wú)膜細(xì)胞多出的小半圓弧為細(xì)胞外液與細(xì)胞膜的界面極化引起的.

圖3 無(wú)核細(xì)胞在有無(wú)膜下的仿真結(jié)果 (a)不同頻率下無(wú)核細(xì)胞的仿真結(jié)果; (b)仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)的Cole-Cole PlotFig. 3. Simulation results of no-nuclear cells with or without membrane: (a) Simulation results of non-nucleated cells with different frequencies; (b) the Cole-Cole Plot corresponding to the simulation results.

3.3 細(xì)胞核對(duì)細(xì)胞電學(xué)特性的影響

如2.1 節(jié)所述, 目前大多數(shù)研究者普遍認(rèn)同只考慮細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的SS 模型, 這說(shuō)明細(xì)胞核及其他細(xì)胞器對(duì)阻抗譜分析無(wú)影響. 但是在圖2(b)中可看出無(wú)核細(xì)胞模型與帶核細(xì)胞模型在低頻處的小半圓弧還是有所差距, 這說(shuō)明細(xì)胞內(nèi)部的細(xì)胞核會(huì)對(duì)細(xì)胞的阻抗造成影響. 因此, 為了探索細(xì)胞核的影響, 本文采用TS 模型探索其影響因素.

仿真采用的TS 細(xì)胞模型的核徑分別為R2=2.8 μm, R2= 1.9 μm, R2= 1.5 μm, R2= 0 (即無(wú)核). 首先在它們都帶有細(xì)胞膜的情況下對(duì)其進(jìn)行仿真分析, 而后去膜仿真加以驗(yàn)證.

圖4 不同核徑細(xì)胞的仿真結(jié)果 (a)不同頻率下的仿真結(jié)果; (b), (c)相應(yīng)的Cole-Cole 圖Fig. 4. Simulation results of cells with different nuclear radius: (a) Simulation results of cells at different frequencies; (b), (c) Cole-Cole Plot of different nuclear radius.

頻率f = 10.5 KHz 時(shí), 由于在該頻率下細(xì)胞膜呈現(xiàn)出高阻態(tài), 電流未進(jìn)入細(xì)胞內(nèi), 因此圖4(a)中的(1-1), (2-1), (3-1), (4-1)無(wú)明顯區(qū)別, 細(xì)胞核對(duì)其無(wú)影響. 在相同頻率下, 圖4(a)無(wú)膜狀態(tài)下的(1-4), (2-4), (3-4), (4-4)呈現(xiàn)較大的不同, 細(xì)胞內(nèi)同一位置的電勢(shì)隨細(xì)胞核半徑的減小而逐漸增加, 這表明細(xì)胞在無(wú)膜狀態(tài)下核半徑越大阻值越大. 在f= 3 MHz 時(shí), 雖然圖4(a)中(1-2), (2-2),(3-2), (4-2)中已經(jīng)有電場(chǎng)線通過(guò), 但是在細(xì)胞內(nèi)同位置的電勢(shì)j1-2

圖4(b)顯示, 在低頻處的小半圓弧在不同細(xì)胞核半徑下, 先是基本重和而后出現(xiàn)核徑R2= 2.8 μm時(shí)阻抗值 大于R2= 1.9 μm 的阻抗值, 并且后者的阻抗值與R2= 1.5 μm 和R2= 0 時(shí)近似相同.在圖4(c)中不考慮細(xì)胞膜的影響時(shí), 同樣在低頻處R2= 2.8 μm,R2= 1.9 μm,R2= 1.5 μm,R2= 0 對(duì)應(yīng)的小半圓弧先分散而后逐漸與高頻處的大圓弧基本重合. 由此, 可判斷并驗(yàn)證在低頻小半圓弧出現(xiàn)的分散是由細(xì)胞核半徑大小引起.

此外, 由圖4(b)和圖4(c)可看出, 在細(xì)胞核半徑R2= 1.9 μm,R2=1.5 μm,R2= 0 時(shí)的阻抗基本相等, 由此看出當(dāng)細(xì)胞核半徑R2≤ 1.9 μm時(shí)可將細(xì)胞核的影響忽略. 細(xì)胞核質(zhì)比計(jì)算公式為:

其中Vn為細(xì)胞核的體積,Vcell為細(xì)胞體積,Vc為細(xì)胞質(zhì)體積. 計(jì)算可知此時(shí)細(xì)胞核質(zhì)比約為1∶4,且當(dāng)細(xì)胞的核質(zhì)比小于0.25 時(shí)可忽略其影響. 正常細(xì)胞的核質(zhì)比為1∶4—6, 因此學(xué)者普遍將細(xì)胞內(nèi)核以及其他細(xì)胞器忽略視為單殼模型(SS).

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)以酵母懸液為被測(cè)對(duì)象. 圖5 給出了實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理圖: 一臺(tái)PC 機(jī)、一臺(tái)阻抗分析儀(IM7581)、一個(gè)四端開(kāi)爾文卡子、一個(gè)降噪屏蔽和一個(gè)小試管. 試管是一個(gè)方柱狀容器, 長(zhǎng)dc=10 mm, 寬wc= 2 mm, 高h(yuǎn)c= 20 mm. 測(cè)量電極由對(duì)側(cè)平行的一對(duì)金屬板組成, 面積為A=20 mm×10 mm. 將小試管置于降噪罩中進(jìn)行測(cè)量,隔離環(huán)境中的電磁干擾. 小試管通過(guò)一個(gè)四端開(kāi)爾文卡子連接到阻抗分析儀上. 阻抗分析儀捕獲探頭發(fā)出的信號(hào)后, 將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給PC 機(jī)進(jìn)行后續(xù)的擬合. 測(cè)量頻率范圍為f= 100 kHz—300 MHz,測(cè)量點(diǎn)數(shù)量為1500 個(gè). 提取20%體積分?jǐn)?shù)的死活酵母懸浮液的阻抗信息, 并作出相應(yīng)的Cole-Cole 圖.

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6(a)給出了實(shí)驗(yàn)中酵母的顯微結(jié)構(gòu)及模型圖. 其中將酵母菌粉置于37 ℃ ± 2 ℃的溫水中浸泡30 min, 獲得活酵母菌, 死酵母菌則在70 ℃± 2 ℃的熱水中浸泡30 min 獲取. 可以看出, 活酵母菌的細(xì)胞膜光滑平整, 而死酵母菌的細(xì)胞膜出現(xiàn)收縮皺裂, 由此可知酵母菌經(jīng)熱水處理后細(xì)胞膜已完全被破壞, 處于“無(wú)膜”狀態(tài). 由圖6(b)可看出, 20%活酵母菌在Cole-Cole 圖中顯示出大小兩個(gè)半圓弧, 而經(jīng)過(guò)熱水處理后的同體積分?jǐn)?shù)的酵母菌在Cole-Cole 圖只有一個(gè)半圓弧, 且該半圓弧處于高頻段. 圖6(b)中兩個(gè)樣品的Cole-Cole 圖對(duì)應(yīng)比較, 可推斷出死酵母菌(無(wú)膜)在此時(shí)呈現(xiàn)的圓弧即為細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞外液形成的介電馳豫, 而活酵母菌低頻段出現(xiàn)的小圓弧正是細(xì)胞膜與細(xì)胞外液間極化形成的介電馳豫. 在忽略阻抗值大小后, 可看出圖6(b)中 Cole-Cole 圖的基本趨勢(shì)與圖3 (b)無(wú)核細(xì)胞的有無(wú)膜的Cole-Cole 圖基本趨勢(shì)一致.因此, 20%體積分?jǐn)?shù)的酵母菌實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了3.2 節(jié)中的仿真內(nèi)容.

圖5 實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig. 5. Experimental set-up.

圖6 實(shí)驗(yàn)圖 (a)死活酵母菌實(shí)物與模型圖; (b)20%死活酵母菌Cole-Cole 圖Fig. 6. Experiment: (a) Object and model of dead and alive yeast; (b) Cole-Cole Plot of 20% dead and alive yeast.

圖3 (b)阻抗數(shù)值比圖6(b)中的數(shù)值小是由以下原因造成的: 1)實(shí)驗(yàn)中使用的細(xì)胞外液為純水導(dǎo)電率s0e= 5.5 × 10–6S/m, 而仿真中使用的導(dǎo)電率s0i= 0.6 S/m, 這將導(dǎo)致仿真中所獲得的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)的阻抗值; 2)實(shí)驗(yàn)中的電極尺寸與待測(cè)區(qū)域的比值de為

其中l(wèi)為電極長(zhǎng),L為 測(cè) 量區(qū)域的邊長(zhǎng). 實(shí)驗(yàn)中de= 14.14/550 = 0.026, 而仿真的de= 4/20 =0.2.de越小則壓降越嚴(yán)重, 這將會(huì)使得所測(cè)的阻抗數(shù)值偏大.

此外圖3(b)中無(wú)膜狀態(tài)下的大圓弧與有膜下的大圓弧基本重合, 而圖6(b)中的死酵母菌對(duì)應(yīng)的圓弧與活酵母并未重合. 這是由于仿真中無(wú)膜細(xì)胞區(qū)域與外界區(qū)域已經(jīng)被劃開(kāi), 兩者之間不產(chǎn)生離子的流動(dòng)(即導(dǎo)電率較為穩(wěn)定). 而實(shí)驗(yàn)中, 酵母菌一旦失去活性, 細(xì)胞膜破裂, 細(xì)胞內(nèi)的離子無(wú)障礙地流向細(xì)胞外液中, 如圖6(a)所示, 從而導(dǎo)致細(xì)胞外液的導(dǎo)電率升高, 阻抗較低.

5 結(jié) 論

本文采用數(shù)值仿真的方式研究了單細(xì)胞電學(xué)特性與其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系, 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,得出以下四個(gè)結(jié)論.

1) 細(xì)胞結(jié)構(gòu)尺寸的變化引起細(xì)胞電學(xué)特性的改變, 依據(jù)細(xì)胞電學(xué)特性能夠準(zhǔn)確進(jìn)行細(xì)胞分類;

2) Cole-Cole 圖上高頻與低頻的兩個(gè)半圓弧分別是由細(xì)胞質(zhì)與細(xì)胞外液的離子極化、細(xì)胞膜與細(xì)胞外液之間的界面極化引起的;

3) 細(xì)胞核大小對(duì)測(cè)量阻抗的影響主要在低頻段, 是由細(xì)胞核與細(xì)胞內(nèi)液的界面極化引起的, 但當(dāng)細(xì)胞核質(zhì)比小于0.25 時(shí)可忽略其影響;

4) 對(duì)20%不同活性的酵母菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果一致, 驗(yàn)證了Cole-Cole 圖中高頻與低頻兩個(gè)圓弧分別是由細(xì)胞質(zhì)或細(xì)胞外液的離子極化、細(xì)胞膜與細(xì)胞外液之間的界面極化引起的.

感謝西安理工大學(xué)劉夏移博士和日本千葉大學(xué)武居昌宏教授提供的技術(shù)支持.