微流控技术是一种精确控制及操控特征尺寸在几十到几百微米之间微尺度流体的方法。由于微流控芯片的通道尺寸和单细胞的尺寸大致相当,一般在几十至几百微米,能够从空间和时间上对流体进行精确地控制,节省大量的试剂和细胞,具有传统细胞行为研究技术无可比拟的优势,因此微流控技术的发展为单细胞行为的研究提供了新的思路和方法。单细胞水平的生物物理特性表征可有效阐明细胞的功能和状态,揭示细胞的单体差异性,对于细胞的分化和病理研究,以及疾病的早期临床诊断和治疗具有非常重要的意义。生物阻抗检测技术广泛应用于细胞生理行为相关的研究,也是用于构建细胞阻抗传感器的基础。经典的细胞阻抗电极是平面的金电极,这种电极尽管可以很好的实时传导细胞电阻抗的变化,但是往往需要在金电极上增加一些特定的抗体等化学修饰,从而实现细胞定位。另外,二维的平面的电极往往只能够传感细胞在平面方向(即XY轴)的延伸和迁移,但并不能反映细胞在纵向(即Z轴)的运动和变化,这对于立体三维结构细胞的阻抗分析是不全面的。由于细胞的表面布满着微纳米尺度的丝状伪足,如果从仿生的角度制备出和细胞表面的丝状伪足同尺度相匹配的电极材料和界面,增加细胞表面和界面电极材料的相互作用,为电信号的提取提供更多的接触点和更大的接触力,这将大幅度的增强细胞的电阻抗信号,更加能够区分和监测单细胞癌变的过程。基于此,我们通过微机电系统加工工艺制备具有捕获单细胞/双细胞微槽单元的微流控芯片,并通过一系列化学修饰和物理沉积方法在微槽的三维结构内表面上修饰金材料和石墨烯材料,构建图案化的单个细胞传感单元。实时的CCD采集和电阻抗信号提取分析单细胞/双细胞的不同生理行为,并对结果进行统计、分析与比较。具体研究内容如下:1、设计用于捕获单细胞/双细胞的微流控芯片,并通过一系列微纳加工工艺制备传统的基于二维平面金电极的细胞电阻抗微流控芯片,并对芯片的表面形貌进行了一系列的表征;接着再通过一次磁控溅射工艺将金材料修饰在捕获微槽的三维结构内表面,用一定能量的飞秒激光将连续的导电金薄膜刻蚀成一个个分立的捕获传感单元,形成三维金界面的单/双细胞电阻抗微流控芯片,并同样对芯片的表面形貌进行了一系列的表征;2、通过一系列微纳加工工艺和化学修饰还原等方法,制备具有三维石墨烯仿生界面的单/双细胞电阻抗微流控芯片,并紧接着用一定能量的飞秒激光将连续的导电石墨烯薄膜刻蚀成一个个分立的捕获传感单元。并对石墨烯界面以及捕获微柱的微观形貌、电化学活性、电导性进行了一系列的观测和表征,以及对微量溶液的一些阻抗测试;3、搭建细胞电阻抗的测试平台,对制备得到的三种微流控芯片进行一系列处理。通过注射泵分别将培养好的早期的人乳腺癌细胞系(MCF-7)和中期的人乳腺癌细胞系(MDA-MB-231)注入三种微流控芯片中,单/双细胞分别捕获在相应电极位置,带有CCD的倒置显微镜和阻抗仪实时获得单/双细胞的表面形貌和电阻抗波形信息。同时对芯片内细胞进行一定时间间隔的培养,从而相对实时的得到单/双细胞整个生理周期内的电阻抗和形貌信息,并进一步分析两者之间的对应关系。进行多次重复实验,对相关参数统计分析。最后通过三维石墨烯界面相对实时的同时获得单细胞的电阻抗信号和表面形貌的对应关系;4、通过有限元计算软件COMSOL对所设计的微流控芯片流道的流速进行理论计算,并对所设计制备的三种芯片捕获细胞后电场变化进行理论的计算和比较;分别建立三维石墨烯界面和二维金界面捕获细胞后的等效电路模型,对各部分的参数进行分析对比,得到石墨烯界面的具体理论优势。