Li Shenghui, 2, 3, Lu Xiaodong 2, 3 DÉLIBÉRATIONS
(1. Institut de microélectronique, R & D santé électronique Centre Académie des Sciences, Beijing 100029, Chine;
Pékin Laboratoire clé de la technologie de communication de nouvelle génération puce RF Institut de Microélectronique, Académie des Sciences de Chine, Beijing 100029, Chine;
3. Institut avenir de l'Université de Technologie de l'Académie chinoise des sciences, Beijing 101400)
Résumé: Capture biopuce cellule traditionnelle diélectrophorétique débit est pas élevé, et le problème ne peuvent pas être traitées matrice de microélectrodes concevoir une puce de commande adressable, capture de cellules à haut débit approprié développé supérieure des modules de programme de commande de machine. Lower module de circuit de commande de machine comprend une unité de commande de microcontrôleur STM32, une unité de génération de signal, l'unité de commande de commutation ou analogue. Les résultats expérimentaux montrent que le circuit de commande conçu pour la capture sur une biopuce cellules d'électrodes particulières matrice 32 x 32 de microélectrodes sont adressées, et l'adresse est chargée avec les microélectrodes, signal sinusoïdal en phase inverse.
CLC: TN98; TH79
Code de document: A
DOI: 10,16157 / j.issn.0258-7998.2017.07.021
format de citation chinois: Li conception Shenghui, Lu Xiaodong, procédure. adressable capture des cellules de contrôle à puce haut débit Technologie électronique, 2017,43 (7): 81-83,87.
Anglais format de citation: Li Shenghui, Lu Xiaodong, Huang Chengjun. Conception du système de commande électrique pour un débit élevé et biopuce adressable de capture de cellules .Application Technique électronique, 2017,43 (7): 81-83,87.
0 introduction
Le cancer est devenu l'un des taux de mortalité les plus élevés des principales maladies, plus de 90 pour cent des patients atteints de cancer meurent de métastases et la récurrence des tumeurs . Les dernières recherches montrent que les cellules tumorales circulantes dans le sang (cellules tumorales circulantes, CTCs) car elle directement à la source de tissu tumoral, peut être amené à réagir directement la taille de la tumeur, type, etc., pour évaluer l'efficacité d'une variété de récurrence de la tumeur et les métastases surveillance. Mettre en place une détection à haut débit, haute sensibilité de CTCs, un axe de recherche au cours des dernières années a une grande importance scientifique et la valeur clinique de .
Procédé de détection de courant de CTCs divisé en deux catégories, l'une est de se fonder sur l'identification et la caractérisation de l'expression des marqueurs spécifiques capturés en surface des cellules tumorales (par exemple, EpCAM, HER-2, etc.) pour obtenir des CTC, l'autre est le directe propres propriétés physiques (par exemple, en termes de taille, de densité, les caractéristiques électriques, etc.) et la différence dans les cellules normales est obtenue en utilisant la capture et la détection des CTC CTC. Ces dernières années, avec le développement de la technologie de la puce microfluidique, sur la base des « sans étiquette » caractéristiques physiques de la méthode CTCs de détection de plus en plus d'attention. diélectrophorèse à base de cellules (Dielectrophoresis, DEP) principe de la technologie de capture CTCs, en raison de la haute spécificité et non invasive, favorisée par les chercheurs. GASCOYNE P R a constaté que les différents types de cellules, il y a un spectre caractéristique diélectrophorétique ayant une spécificité plus élevée peut être utilisée pour la séparation des cellules tumorales . Sur la base de ces propriétés diélectriques, différents groupes de recherche conçus diélectrophorèse capture de cellules différentes formes de biopuces pour la détection et la séparation de CTCs . HUANG C Un système à quatre électrodes puce conçue, peut être mis en oeuvre sur une seule capture spécifique des cellules tumorales, le positionnement et la lyse des cellules et d'autres fonctions électriques . Cependant, ce type d'électrodes diélectriques de chaque puce de piégeage de cellule de micro-électrophorèse au moyen d'un entraînement électrique séparé, sur une surface de la puce limitée peut être obtenue que la détection d'un seul ou de quelques cellules tumorales, plus le flux.
Dans ce document, le circuit de commande adapté pour une puce de diélectrophorèse cellulaire à haut débit. Et circuits d'adressage par le programme de commande du système, peut être réalisé avec une matrice de 32 x 32 unité de cellule de type microélectrodes unité de capture des biopuces adressée microélectrode, diélectrophorèse signal de tension de charge, l'interface utilisateur du programme des fonctions de contrôle intelligents, tels un débit élevé, la capture de cellules adressables de la puce biologique fournit une solution.
Une mécanisme de travail de la puce de capture de cellules
Les cellules dans un champ électrique non uniforme, en raison des effets de polarisation générés diélectrophorèse phénomène . Les cellules ont subi amplitude force diélectrophorétique appliquée sur l'électrode avec le signal, la fréquence, la distance entre les électrodes, propres propriétés physiques de la cellule (par exemple, la capacité membranaire, la conductance, etc.) en lien. Afin de capture des cellules tumorales spécifiques en utilisant des cellules effectrices à médiation par diélectrophorèse, le signal diélectrophorèse chargé sur la puce piégeage cellule est critique.
Système de commande de circuit est conçu pour piloter la capture cellulaire de biopuce ici comme représenté sur la figure. Structure de réseau de puces de 32 × 32, un total de 1024 unités, chacune composée d'une paire de microélectrodes. Système de commande de circuit conçu pour répondre à la nécessité de parvenir à 1024 cellules, et l'application d'un signal alternatif d'une amplitude spécifique, la phase et la fréquence de la microélectrode de l'énergie, par diélectrophorèse capture de cellules .
La figure 1 pour le circuit de commande de capture de cellules d'électrophorèse diélectrique a besoin d'une biopuce, une conception proposée circuit de commande basé sur le principe de la. Figure 2, pour réseau de microélectrodes de 4 rangées de 4 colonnes, par exemple, toutes les lignes et les colonnes d'une matrice de microélectrodes sont électrode mise à la terre (la masse), sont à l'état de désactivation, comme représenté sur la figure 2 (a) ci-dessous, lorsque cela est nécessaire pour permettre à la deuxième rangée, la deuxième rangée de l'unité de micro-électrodes, la figure 2 (b), le système de commande. électrode de la seconde colonne de chargement d'onde sinusoïdale, la seconde charge d'électrode de ligne onduleur onde sinusoïdale, tandis que dans la deuxième rangée ou l'autre microélectrode de la première unité 2, étant donné que seule une électrode micro chargé avec un signal sinusoïdal, généré force diélectrophorétique seulement, la ligne 2, le second réseau de l'unité de micro-électrodes 4.1 , en ajustant l'amplitude du signal d'onde sinusoïdale, la fréquence, la deuxième ligne, un micro-électrode diélectrique généré seconde colonne force électrophorétique-dessus d'une capture cellulaire de seuil, les secondes colonnes supplémentaires de la force diélectrophorétique ligne (ou les deux autres lignes) est inférieur au seuil, ce qui permet la fonction d'adressage 1024 cellules de microélectrodes sur la puce de piégeage de cellule .
2 capture cellulaire conception du système de commande électrique de la biopuce
2.1 Conception du système
Le système comprend un ordinateur hôte d'un des modules de programme de commande et module de circuit de commande esclave. Module de commande de machine inférieure comprend en outre un microcontrôleur (MCU) une unité de commande, une unité de génération de signal, l'unité de commande de commutation. programme de commande de l'ordinateur sous le contrôle d'un esclave USB, l'alimentation de l'équipage, la machine inférieure est constituée par un microcontrôleur pour commander le circuit de commutation; seul signal d'onde sinusoïdale du circuit d'amplificateur différentiel du générateur de signal est converti en une à deux phases signal sinusoïdal, puis à travers le circuit de commutation commandé par le microcontrôleur, les électrodes de rangée aux deux sorties de signaux différentiels désignés puces microfluidiques et des électrodes de colonne. Le schéma de principe du système représenté sur la figure 3.
2.2 Contrôle PC conception du module de programme
Étant donné que le système de commande électrique de capture de cellules d'une biopuce nécessaire pour contrôler les 64 canaux de sortie, afin de faciliter l'opérateur un contrôle intelligent, rapide, conception développée à partir sur l'ordinateur hôte du module de programme de contrôle Qt, principalement via USB et la machine inférieure un circuit de commande connecté à la fonction. Les expériences, caméra CCD microscope après avoir pris la photo puce matrice de microélectrodes, peuvent ajouter, modifier et d'autres opérations dans le programme de contrôle de PC, l'opérateur peut observer la microstructure sur la puce par l'interface utilisateur de commande PC (UI) réseau d'électrodes. En fonction des besoins des cellules expérience, lorsque cela est nécessaire pour permettre une ligne particulière et de la colonne, puis cliquez sur le bouton OK dans la rangée supérieure dans le programme de contrôle de l'interface utilisateur, pour permettre à l'unité de micro-électrode, ne cliquez à nouveau pour permettre à la l'unité de micro-électrodes. Afin d'étendre la fonctionnalité, le programme de contrôle PC peut également être mis en uvre pour permettre une clé ou d'activer toutes les électrodes de ligne et des électrodes de colonne, de manière à atteindre PC de contrôle intelligent.
2.3 le module de circuit de commande de position de conception
Circuit de commande partie principale d'un module de niveau inférieur est une unité de microcontrôleur (MCU), qui est responsable de la communication avec l'ordinateur hôte, tout en commandant le prochain équipage d'autres blocs de circuits. 64 canaux puce de réseau de microélectrodes, quelle rangée 64 électrodes 32, 32 besoin de charger de manière sélective un signal d'onde sinusoïdale de phase du signal sinusoïdal appliqué tandis que les électrodes de rangée et de colonne est . Pour transmettre le signal sélectivement conducteur sous module de commande de position nécessite unités de commutation analogique; signal sinusoïdal de sortie différentiel nécessite unité d'amplification différentielle. La conception du module de circuit de contrôle de la position représentée, la portion principale 3 comporte un microcontrôleur (MCU), une unité d'amplification différentielle, l'unité de commutation analogique 4 représenté sur la figure.
MCU sélection de STM32F105VCT6 de ST, ont 80 ressources IO disponibles, répondre pleinement aux besoins des 64 canaux de sortie. puce d'amplification différentielle sélectionner différentiel à grande vitesse amplificateur ADI le AD8132, qui est un faible coût, un amplificateur de sortie différentiel d'entrée asymétrique ou différentiel, le gain fourni par les résistances . Circuit de commutation ADI utilisé dans les quatre puce de commutation SPDT indépendant ADG333A, ayant une faible résistance.
Basé sur le principe du circuit d'amplificateur différentiel de AD8132 représenté sur la figure 5.
Fournir deux réseau de rétroaction de AD8132 géométrique, afin de faire correspondre les parasites, à la fois le réseau est constitué de deux résistances de contre-réaction équivalent (Rf) et deux résistances de gain équivalent (Rg) constituant . Et le circuit, le gain de sortie différentiel G = Rf / Rg, de sorte que le gain du circuit peut être ajustée en ajustant le rapport de résistance de la taille des Rf et Rg, des dessins de l'article, le gain de 1, de sorte que la résistance Rf et Rg sont égaux.
3 test de fonctionnement du système
L'architecture du système représenté sur la figure 4 est conçu schéma de circuit, une carte de circuit imprimé a été préparé, et le soudage des composants, puis testé pour ses propriétés électriques, le test mis en place Internet. Lorsque les besoins de l'unité pour traiter une microélectrode spécifique, en faisant fonctionner le PC, le programme de contrôle de PC cliquez sur le bouton OK dans les boutons de l'interface utilisateur et des colonnes, pour atteindre l'unité de micro-électrodes peut, phase normale, le signal de tension sinusoïdale en phase inverse est chargée dans la l'unité de micro-moteur. signal d'entrée différentielle de l'unité d'amplification est généré à partir du générateur de signal Aligent 33621A (le signal de sortie de la fréquence maximale de 120 MHz). Aligent à l'aide de l'oscilloscope à quatre canaux MSO X-2024A (fréquences jusqu'à 200 MHz) signal spécifié est chargé dans l'observation en temps réel cellule de micro-électrodes.
les résultats des tests circuit représenté sur la figure 6, lorsque le signal d'entrée est Vpp = 2 V, une fréquence de 1 kHz onde sinusoïdale, le circuit de commande 22 décrit ci-après, étant donné que le gain G = 1, le circuit d'amplificateur différentiel, lorsque deux single-ended le signal de sortie de 1 kHz, pic Vpp = 1 V, la différence de phase est deux onde sinusoïdale avec la phase dans laquelle la sortie de la Fig. 6 (a), la forme d'onde de sortie de l'inverseur à. la figure 6 (b) représenté sur la figure.
Lorsque la ligne diagramme mesuré activé de capture de cellules de forme d'onde de la biopuce 2, après que l'unité de micro-électrodes de la seconde colonne, la ligne de charge 2 mesurée à l'aide de l'oscilloscope, le canal de sortie de la machine inférieure du signal microcellule deuxième rangée correspondant à la figure 7. .
4 Conclusion
Ce haut débit de conception matrice-microélectrode de cellule est adapté pour un circuit de commande adressables spécifiquement capture une biopuce peut être réalisé sur 32 × 32 cellules adressables signaux de tension de charge sélectivement microélectrodes diélectrophorèse , programme de contrôle PC interface utilisateur. Le système est simple structure de conception, l'utilisation du contrôle d'interface homme-machine PC. Le développement du système a une grande importance en termes d'applications pour la détection précoce des cellules tumorales à promouvoir davantage les technologies cellulaires diélectrophorèse.
références
Lvxiao Qing Li Lei, Hongmei, etc. Les progrès de la technologie de la puce microfluidique de cellules tumorales circulantes isolé . Progress in Biochemistry and Biophysics, 2015,42 (4): 301-312.
Wang Yinghui, Wang Liru, Sun Wei, ET les cellules tumorales circulantes dans le sang périphérique des patients atteints de dépistage du cancer du poumon non à petites cellules avancé de cinq cas et revue de la littérature . Guide pharmaceutique Chine 2014 (22): 269-270.
GASCOYNE P R, SHIM S.Isolation de cellules tumorales circulantes par diélectrophorèse .Cancers, 2014,6 (1): 545-579.
SHIM S, STEMKEHALE K, NOSHARI J, et al.Dielectro-phorèse a une large applicabilité à l'isolement sans marqueur de cellules tumorales à partir du sang par des systèmes microfluidiques .Biomi-crofluidics, 2013,7 (1): 011808.
HAROUAKA R A, Nisic M, ZHENG enrichissement des cellules tumorales S Y.Circulating basée sur les propriétés physiques .Journal de l'Association pour l'automatisation de laboratoire, 2013,18 (6): 455-68.
HUANG C, LIU C, LOO J, et al.Single observation de la viabilité des cellules dans le piégeage diélectrophorétique des cellules sur une puce .Applied Physics Letters, 2014,104 (1): 013703.
FORSHAW J R, P GODDARD, YEOMANS J.Quantum chromodynamics et le poméron Université .Cambridge Press., 1997.
Qucui Xiang, Gang faible coût amplificateur différentiel à grande vitesse AD8132 Ingénierie, électronique, 2001 (11): 25-27.
