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专利名称：一种实时监测细胞行为和状态的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及分析细胞生理的领域，尤其涉及一种实时监测细胞行为和状态的
>J-U ρ α装直。
背景技术：
生物电子学是正在快速发展的一个涉及生物材料和电子装置的交叉研究领域。生物电子学已成功应用于细胞和生物分子的分析和检测。一种生物电子学的应用是监测培养在微电极上的细胞的行为和形态的改变。在题为“基于阻抗的检测装置和方法”的实用新型专利中，公开了一种检测微电极表面的细胞或分子的装置。通过测量由细胞或分子导致的电极间的阻抗的改变来检测细胞或分子。然而，一方面，这种装置以及类似的装置依赖于微电极的优化设计，如电极的尺寸和形状，因此在它的或类似的其它的实施方式中，细胞数量的检测下限达到该技术的极限，如不能检测到几十个细胞以下；另一方面，细胞在微电极表面的分布情况限制了使用该类装置和方法检测的一致性和重复性。细胞代谢水平，尤其是细胞代谢氢离子，可以反映样品细胞的活性。一些调节物，例如细胞毒素和药物等的刺激引起细胞活性的改变，通过对细胞代谢氢离子的检测，可以有效评价这种改变。已有可以检测细胞氢离子代谢的装置和方法包括膜片钳法，安培计法，膜电容法等，其中一些技术已经商业化，另一些方法正在朝着商业化发展。然而，这些方法一方面，对细胞采取有损伤地测量；另一方面，对测量系统和操作手法要求高，难以小型化和集成化。结合细胞-芯片阻抗和代谢氢离子的检测能够从多个方面反映细胞状态以及调节物对细胞行为和状态的改变。目前还没有能在一个测量腔内，利用单独一种传感器芯片可以实时监测细胞行为和状态的装置。

实用新型内容本实用新型的目的是针对现有技术的不足，提供一种实时监测细胞行为和状态的
>J-U ρ α装直。本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的—种实时监测细胞行为和状态的装置，它包括第一微量注射泵、第二微量注射泵、第一注射器、第二注射器、塑料Y型接头管、加热片、传感器检测单元和检测仪器等；其中，第一注射器固定在第一微量注射泵上；第二注射器固定在第二微量注射泵上；第一注射器、第二注射器和传感器检测单元分别通过第一医用软管、第二医用软管和第三医用软管与塑料Y型接头管相连；加热片包覆在第三医用软管外；传感器检测单元通过第一信号连接线、第二信号连接线、第三信号连接线和第四信号连接线与检测仪器相连；检测仪器通过第一微量注射泵控制信号连接线与第一微量注射泵相连，通过第二微量注射泵控制信号连接线与第二微量注射泵相连。进一步地，所述传感器检测单元包括进样软管、出样软管、钼丝电极、细胞培养测量腔体上盖、O型硅橡胶密封垫圈、细胞培养测量腔体、光激励半导体芯片、芯片电路板底座、LED固定腔体、LED、LED电路板底座和传感器固定底座等；其中，所述进样软管、出样软管和钼丝电极的一端均插入细胞培养腔体上盖并由无毒的环氧树脂胶结剂固定；进样软管的另一端与第三医用软管相连，钼丝电极的另一端通过第一信号连接线与检测仪器相连；细胞培养测量腔体上盖、细胞培养测量腔体、光激励半导体芯片、芯片电路板底座、LED电路板底座和传感器固定底座从上至下固定在一起；0型硅橡胶密封垫圈置于细胞培养测量腔体的中心通孔内，由细胞培养测量腔体上盖紧压到光激励半导体芯片上表面；光激励半导体芯片由含银导电胶固定在芯片电路板底座上；芯片电路板底座的传感器响应信号输出插针通过第二信号连接线与检测仪器相连；LED焊接在LED电路板底座上，并穿过LED固定腔体的中心通孔；LED电路板底座的第一 LED驱动信号输入接插针和第二 LED驱动信号输入接插针分别通过第三信号连接线和第四信号连接线与检测仪器相连。本实用新型的有益效果是I、本实用新型的装置可以确定细胞和离子在样品溶液中的存在、行为、数量和变化情況。2、本实用新型的装置可用于实时监测细胞贴附、増殖和伸展形成致密连接的行为过程。亦可用于实时监测此过程中氢离子的代谢情況。3、本实用新型的装置还可用于实时监测调节物作用下的细胞行为和状态，从而鉴别分析调节物。

图I是本实用新型的装置的整体结构和连接图；图2是本实用新型传感器检测单元的结构装配图；图3是本实用新型光激励半导体芯片的结构示意图；图中，第一微量注射泵I、第二微量注射泵2、第一注射器3、第二注射器4、第一医用软管5、第二医用软管6、塑料Y型接头管7、第三医用软管8、加热片9、传感器检测单元10、第一信号连接线11、第二信号连接线12、第三信号连接线13、第四信号连接线14、检测仪器15、第一微量注射泵控制信号连接线16、第二微量注射泵控制信号连接线17、进样软管18、出样软管19、钼丝电极20、细胞培养测量腔体上盖21、0型硅橡胶密封垫圈22、细胞培养测量腔体23、光激励半导体芯片24、芯片电路板底座25、芯片响应信号输出接插针26、LED固定腔体27、LED 28、LED电路板底座29、第一 LED驱动信号输入接插针30、第二 LED驱动信号输入接插针31、传感器固定底座32、第一传感器固定螺丝33、第二传感器固定螺丝34、第三传感器固定螺丝35、第四传感器固定螺丝36。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
进ー步详细描述本实用新型。如图I所示，本实用新型实时监测细胞行为和状态的装置包括第一微量注射泵
I、第二微量注射泵2、第一注射器3、第二注射器4、塑料Y型接头管7、加热片9、传感器检测单元10和检测仪器15。其中，第一注射器3固定在第一微量注射泵I上，用于存放细胞培养液；第二注射器4固定在第二微量注射泵2上，用于存放包含调节物的样品溶液 ，第一注射器3、第二注射器4和传感器检测单元10分别通过第一医用软管5、第二医用软管6和第三医用软管8与塑料Y型接头管7相连，细胞培养液和包含调节物的样品溶液通过塑料Y型接头管7后混合，混合溶液输入传感器检测单元10 ;加热片9包覆在第三医用软管8夕卜，用于混合溶液输入传感器检测单元10前的预加热；传感器检测单元10用于对被检测细胞-芯片阻抗和细胞代谢氢离子浓度敏感并产生响应信号；传感器检测单元10通过第一信号连接线11、第二信号连接线12、第三信号连接线13和第四信号连接线14与检测仪器15相连；检测仪器15通过第一微量注射泵控制信号连接线16与第一微量注射泵I相连，通过第二微量注射泵控制信号连接线17与第二微量注射泵2相连，用于给传感器检测单元10施加驱动信号和检测传感器响应信号，控制第一微量注射泵I和第二微量注射泵2工作。如图2所示，传感器检测单元10包括进样软管18、出样软管19、钼丝电极20、细胞培养測量腔体上盖21、0型硅橡胶密封垫圈22、细胞培养测量腔体23、光激励半导体芯片 24、芯片电路板底座25、LED固定腔体27、LED 28、LED电路板底座29、传感器固定底座32。其中，进样软管18 —端与第三医用软管8相连，另一端插入细胞培养腔体上盖21并由无毒的环氧树脂胶结剂固定，用于引导第三医用软管8内的溶液进入细胞培养測量腔体23内；出样软管19插入细胞培养腔体上盖21，并由无毒的环氧树脂胶结剂固定，用于引导细胞培养腔体23内的溶液排出到腔体外；钼丝电极20 —端插入细胞培养腔体上盖21，并由无毒的环氧树脂胶结剂固定，另一端通过第一信号连接线11与检测仪器15相连，用作传感器测量时的对电极；细胞培养测量腔体上盖21、细胞培养测量腔体23、光激励半导体芯片24、芯片电路板底座25、LED电路板底座29和传感器固定底座32从上至下由第一传感器固定螺丝33、第二传感器固定螺丝34、第三传感器固定螺丝35和第四传感器固定螺丝36固定在一起。0型硅橡胶密封垫圈22置于细胞培养测量腔体23的中心通孔内，由细胞培养测量腔体上盖21紧压到光激励半导体芯片24上表面，用于细胞培养腔体23内溶液的密封；细胞培养腔体23配合细胞培养腔体上盖21、0型硅橡胶密封垫圈22、光激励半导体芯片24，用于在细胞培养腔体23内形成ー个微小体积的细胞培养空间；光激励半导体芯片24由含银导电胶固定在芯片电路板底座25上,用于对阻抗和氢离子敏感；芯片电路板底座25与光激励半导体芯片24下表面形成导电接触，芯片电路板底座25的传感器响应信号输出插针26通过第二信号连接线12与检测仪器15相连，将光激励半导体芯片24的响应信号传输到检测仪器15 ；LED 28焊接在LED电路板底座29上，并穿过LED固定腔体27的中心通孔，LED28发出的光穿过芯片电路板底座25的中心通孔，照射光激励半导体芯片24的下表面；LED电路板底座29的第一 LED驱动信号输入接插针30和第二 LED驱动信号输入接插针31分别通过第三信号连接线13和第四信号连接线14与检测仪器15相连。如图3所示，传感器检测单元10中的光激励半导体芯片24采用的是电解液-绝缘层-半导体(EIS)结构，该结构包括绝缘层37、掺杂杂质的硅片层38、欧姆接触层39。该结构采用微机电加工エ艺制造而成，具体地说，绝缘层37通过热氧化生长在掺杂杂质的硅片层38的上表面；掺杂杂质的硅片层38通过杂质掺杂成为P型或N型半导体；欧姆接触层39为强导电性的金属材料，通过溅射沉积在掺杂杂质的硅片层38的下表面。光激励半导体芯片24利用了半导体的内光电效应，即当半导体受到一定波长的光照射时，半导体吸收光子，发生禁带到导带的跃迁，产生了电子空穴对。在光激励半导体芯片24的上下表面施加偏置电压时，掺杂杂质的娃片层38中产生耗尽层，电子和空穴被耗尽层的内电场分离，同时耗尽层外的电子空穴对中的一部分总能在未重新复合前扩散进入耗尽层，此过程中电子空穴对的移动形成光生电流。本实用新型利用此原理，采用强度调制的LED 28照射光激励半导体芯片24下表面，产生光生电流，进而能被检测仪器15检测。光生电流的大小与芯片上下表面间的电势差的大小相关，细胞代谢氢离子的行为改变这个电势差，因而通过检测光生电流表征细胞代谢氢离子的行为。本实用新型采用的光激励半导体芯片24也可作为阻抗測量器件。具体说在钼丝电极20上施加直流和交流叠加的电压信号时，可从检测仪器15检测到的传感器响应的电流信号換算得到芯片阻杭。当细胞在光激励半导体芯片24上表面贴附、増殖和伸展形成致密连接时，会阻碍检测回路的电流信号，进而換算得到的阻抗值将变大。而ー些调节物，例如细胞毒素和药物等，能破坏细胞的贴附或増殖或伸展形成致密连接的生理过程，进而导致阻抗值变小。上述变大或变小的阻抗即为细胞-芯片阻杭，它表征了细胞在芯片表面贴附生长的行为和状态。另外，本实用新型利用强度调制的LED 28照射光激励半导体芯片24，使掺杂杂质的硅片层38内产生新的电子空穴对，降低了芯片阻杭，因而提高了细胞-芯片阻抗检测灵敏度。此外，由于细胞-芯片阻抗和代谢氢离子浓度是在不同的偏置电压下測量，并且细胞-芯片阻抗是在芯片特性饱和区偏置电压下測量，因此克服了氢离子浓度改变对细胞-芯片阻抗测量的影响。使用本实用新型的装置和方法实现了细胞-芯片阻抗和代谢氢离子浓度在単独ー块光激励半导体芯片上互不干本实用新型所述的装置并不限于具体实施方式
中的实施方案，根据本实用新型的技术方案得到的其它实施方式，同样属于本实用新型的技术创新范围。
权利要求1.一种实时监测细胞行为和状态的装置，其特征在于，它包括第一微量注射泵(I)、第二微量注射泵(2)、第一注射器(3)、第二注射器(4)、塑料Y型接头管(7)、加热片(9)、传感器检测单元(10)和检测仪器(15);其中，第一注射器(3)固定在第一微量注射泵(I)上；第二注射器(4)固定在第二微量注射泵(2)上；第一注射器(3)、第二注射器(4)和传感器检测单元(10)分别通过第一医用软管(5)、第二医用软管(6)和第三医用软管(8)与塑料Y型接头管(7)相连；加热片(9)包覆在第三医用软管(8)外；传感器检测单元(10)通过第一信号连接线(11 )、第二信号连接线(12)、第三信号连接线(13)和第四信号连接线(14)与检测仪器(15)相连；检测仪器(15)通过第一微量注射泵控制信号连接线(16)与第一微量注射泵(I)相连，通过第二微量注射泵控制信号连接线(17)与第二微量注射泵(2)相连。
2.根据权利要求I所述的实时监测细胞行为和状态的装置，其特征在于，所述传感器检测单元(10)包括进样软管(18)、出样软管(19)、钼丝电极(20)、细胞培养测量腔体上盖(21)、O型硅橡胶密封垫圈(22)、细胞培养测量腔体(23)、光激励半导体芯片(24)、芯片电路板底座(25)、LED固定腔体(27)、LED (28)、LED电路板底座(29)和传感器固定底座(32);其中，所述进样软管(18)、出样软管(19)和钼丝电极(20)的一端均插入细胞培养腔体上盖(21)并固定；进样软管(18)的另一端与第三医用软管(8)相连，钼丝电极(20)的另一端通过第一信号连接线(11)与检测仪器(15)相连；细胞培养测量腔体上盖(21)、细胞培养测量腔体(23)、光激励半导体芯片(24)、芯片电路板底座(25)、LED电路板底座(29)和传感器固定底座(32)从上至下固定在一起；0型硅橡胶密封垫圈(22)置于细胞培养测量腔体(23)的中心通孔内，由细胞培养测量腔体上盖(21)紧压到光激励半导体芯片(24)上表面；光激励半导体芯片(24)由含银导电胶固定在芯片电路板底座(25)上；芯片电路板底座(25)的传感器响应信号输出插针(26)通过第二信号连接线(12)与检测仪器(15)相连；LED (28)焊接在LED电路板底座(29)上，并穿过LED固定腔体(27)的中心通孔；LED电路板底座(29)的第一 LED驱动信号输入接插针(30)和第二 LED驱动信号输入接插针(31)分别通过第三信号连接线(13)和第四信号连接线(14)与检测仪器(15)相连。
专利摘要本实用新型公开了一种实时监测细胞行为和状态的装置，该装置包括第一微量注射泵、第二微量注射泵、第一注射器、第二注射器、塑料Y型接头管、加热片、传感器检测单元和检测仪器；本实用新型的装置可以确定细胞和离子在样品溶液中的存在、行为、数量和变化情况；可用于实时监测细胞贴附、增殖和伸展形成致密连接的行为过程。亦可用于实时监测此过程中氢离子的代谢情况；还可用于实时监测调节物作用下的细胞行为和状态，从而鉴别分析调节物。
文档编号G01N27/02GK202543208SQ201220010378
公开日2012年11月21日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者吴成雄, 周洁, 哈达, 王平, 胡宁 申请人:浙江大学