Hypoxia‐induced polymerization of sickle hemoglobin and the related ion diffusion across cell membrane can lead to changes in cell dielectric properties, which can potentially serve as label‐free, diagnostic biomarkers for sickle cell disease. This article presents a microfluidic‐based approach with on‐chip gas control for the impedance spectroscopy of suspended cells within the frequency range of 40 Hz to 110 MHz. A comprehensive bioimpedance of sickle cells under both normoxia and hypoxia is achieved rapidly (within ∼7 min) and is appropriated by small sample volumes (∼2.5 μL). Analysis of the sensing modeling is performed to obtain optimum conditions for dielectric spectroscopy of sickle cell suspensions and for extraction of single cell properties from the measured impedance spectra. The results of sickle cells show that upon hypoxia treatment, cell interior permittivity and conductivity increase, while cell membrane capacitance decreases. Moreover, the relative changes in cell dielectric parameters are found to be dependent on the sickle and fetal hemoglobin levels. In contrast, the changes in normal red blood cells between the hypoxia and normoxia states are unnoticeable. The results of sickle cells may serve as a reference to design dielectrophoresis‐based cell sorting and electrodeformation testing devices that require cell dielectric characteristics as input parameters. The demonstrated method for dielectric characterization of single cells from the impedance spectroscopy of cell suspensions can be potentially applied to other cell types and under varied gas conditions.

中文翻译：

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镰状细胞病中红细胞的介电光谱

缺氧诱导的镰状血红蛋白聚合和相关的离子跨细胞膜扩散可导致细胞介电特性的变化，这可能作为镰状细胞病的无标记诊断生物标志物。本文介绍了一种基于微流体的方法，具有片上气体控制，用于 40 Hz 至 110 MHz 频率范围内的悬浮细胞阻抗谱。在常氧和缺氧条件下，镰状细胞的综合生物阻抗可快速实现（约 7 分钟内），并且适用于小样本量（约 2.5 μL）。执行传感建模分析以获得镰状细胞悬浮液的介电光谱和从测量的阻抗谱中提取单细胞特性的最佳条件。镰状细胞的结果表明，在缺氧处理后，细胞内介电常数和电导率增加，而细胞膜电容减少。此外，发现细胞介电参数的相对变化取决于镰状细胞和胎儿血红蛋白水平。相比之下，缺氧和常氧状态之间正常红细胞的变化是不明显的。镰状细胞的结果可以作为设计基于介电泳的细胞分选和电极形成测试装置的参考，这些装置需要细胞介电特性作为输入参数。从细胞悬浮液的阻抗谱中对单个细胞进行介电表征的演示方法可以潜在地应用于其他细胞类型和不同的气体条件。发现细胞介电参数的相对变化取决于镰状细胞和胎儿血红蛋白水平。相比之下，缺氧和常氧状态之间正常红细胞的变化是不明显的。镰状细胞的结果可以作为设计基于介电泳的细胞分选和电极形成测试装置的参考，这些装置需要细胞介电特性作为输入参数。从细胞悬浮液的阻抗谱中对单个细胞进行介电表征的演示方法可以潜在地应用于其他细胞类型和不同的气体条件。发现细胞介电参数的相对变化取决于镰状细胞和胎儿血红蛋白水平。相比之下，缺氧和常氧状态之间正常红细胞的变化是不明显的。镰状细胞的结果可以作为设计基于介电泳的细胞分选和电极形成测试装置的参考，这些装置需要细胞介电特性作为输入参数。从细胞悬浮液的阻抗谱中对单个细胞进行介电表征的演示方法可以潜在地应用于其他细胞类型和不同的气体条件。镰状细胞的结果可以作为设计基于介电泳的细胞分选和电极形成测试装置的参考，这些装置需要细胞介电特性作为输入参数。从细胞悬浮液的阻抗谱中对单个细胞进行介电表征的演示方法可以潜在地应用于其他细胞类型和不同的气体条件。镰状细胞的结果可以作为设计基于介电泳的细胞分选和电极形成测试装置的参考，这些装置需要细胞介电特性作为输入参数。从细胞悬浮液的阻抗谱中对单个细胞进行介电表征的演示方法可以潜在地应用于其他细胞类型和不同的气体条件。