一種細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)及其檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于平面膜片鉗技術(shù)及機(jī)器人化探針操控技術(shù)的細(xì)胞生理信息檢測裝置和方法。一種細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)，包括平面膜片鉗模塊與納米操作機(jī)器人模塊連接;平面膜片鉗模塊：用于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的吸附、封接和破膜；納米操作機(jī)器人模塊：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行納米觀測及納米操作。一種細(xì)胞生理信息檢測方法，通過控制宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和Z向納米掃描器帶動(dòng)探針實(shí)現(xiàn)納米級(jí)位移；由光電傳感器檢測激光偏轉(zhuǎn)信號(hào)反饋至數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面，得到探針受到的接觸力，并通過電極及信號(hào)放大器實(shí)現(xiàn)離子電流的同步檢測。本發(fā)明能夠利用掃描探針在細(xì)胞表面施加皮牛頓級(jí)到納牛頓級(jí)的超微機(jī)械力刺激，同時(shí)利用平面膜片鉗實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的機(jī)械門控離子通道電流的檢測。
【專利說明】一種細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)及其檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多參數(shù)活體細(xì)胞生理信息檢測技術(shù)，具體地說是一套多參數(shù)活體 細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)及其檢測方法，主要用于生命科學(xué)領(lǐng)域。 技術(shù)背景
[0002] 目前，基于細(xì)胞水平的多學(xué)科交叉研究正成為新的技術(shù)發(fā)展動(dòng)力。運(yùn)用活體細(xì)胞 生理狀態(tài)下的微觀測與微操控理論方法，提取反映機(jī)體狀態(tài)與反映的細(xì)胞水平的生物標(biāo)志 信息，無疑將成為生命科學(xué)領(lǐng)域新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 目前基于細(xì)胞水平的科學(xué)研究主要依賴于以下兩個(gè)方面：
[0004] 基于生物電流檢測原理的膜片鉗技術(shù)。運(yùn)用微管道與微信號(hào)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)活體 細(xì)胞的離子通道檢測，已成為生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和藥物篩選的重要方法。但是目前市場上 此類商業(yè)化產(chǎn)品只能實(shí)現(xiàn)電壓門控離子通道檢測，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械門控離子通道檢測。
[0005] 基于細(xì)胞活性狀態(tài)的物理特征檢測技術(shù)。運(yùn)用微納米觀測操控技術(shù)，探索細(xì)胞 機(jī)械特性(硬度、振動(dòng)等)，用以表征細(xì)胞的活性及其健康水平，建立細(xì)胞生理狀態(tài)的特征描 述，近年來已成為微納米與生物學(xué)結(jié)合發(fā)展的重要方向，這對(duì)促進(jìn)生物學(xué)研究進(jìn)展，探索重 大疾病的早期診斷方法具有極其重要的意義。目前，市場上生物型原子力顯微鏡是對(duì)進(jìn)行 細(xì)胞進(jìn)行微納米觀測與操控的有效手段，遺憾的是目前此類產(chǎn)品缺乏對(duì)細(xì)胞離子通道電流 的檢測能力。
[0006] 本發(fā)明將結(jié)合平面膜片鉗技術(shù)和機(jī)器人化探針操控技術(shù)，建立一套細(xì)胞生理信息 檢測系統(tǒng)和檢測方法。該系統(tǒng)除了具有平面膜片鉗的離子通道檢測功能和原子力顯微鏡的 活體細(xì)胞高分辨率表征、活體細(xì)胞物理量檢測、分子力檢測等功能外，依靠本方法還可實(shí)現(xiàn) 細(xì)胞超微機(jī)械刺激與電生理信號(hào)的同步施加和檢測、人為干預(yù)的機(jī)器人化納米操作及細(xì)胞 電生理信號(hào)檢測等功能。本發(fā)明為開展生命科學(xué)領(lǐng)域中跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、機(jī)械門控離子通道、 細(xì)胞生物特征檢測、生物分子相互識(shí)別與靶標(biāo)測試等重要科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究提供系統(tǒng)支撐和技 術(shù)手段。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 針對(duì)活體細(xì)胞研究中對(duì)高分辨率表征、納米操作、離子通道檢測、物理量檢測及分 子力檢測等多種參數(shù)檢測的功能需求，本發(fā)明目的在于提供一種同時(shí)滿足上述功能需求的 活體細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)及其檢測方法。
[0008] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0009] -種細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)，包括：平面膜片鉗模塊與納米操作機(jī)器人模塊連 接；平面膜片鉗模塊：用于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的吸附、封接和破膜、以及離子通道電流檢測；納米操 作機(jī)器人模塊：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行納米觀測及納米操作。
[0010] 所述平面膜片鉗模塊包括平面膜片鉗電極、與其連接的膜片鉗信號(hào)放大器和微壓 力控制系統(tǒng)、以及與膜片鉗信號(hào)放大器連接的數(shù)據(jù)采集卡；微壓力控制系統(tǒng)與納米操作機(jī) 器人模塊連接。
[0011] 所述納米操作機(jī)器人模塊包括：宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器與上面固定有XY向納米掃 描器的宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)連接，納米操作與觀測控制器與XY向納米掃描器、數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交 互界面、連接有探針的Z向納米掃描器連接，數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面與數(shù)據(jù)采集卡、光學(xué) 顯微鏡、宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器、微壓力控制系統(tǒng)連接，光電傳感器與納米操作與觀測控制器 連接，激光器與直角棱鏡、光學(xué)顯微鏡固定于XY向納米掃描器上方；XY向納米掃描器上面 固定有平面膜片鉗電極。
[0012] 所述納米操作機(jī)器人模塊還包括與數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面連接的3D力反饋操 作器。
[0013] 所述平面膜片鉗電極包括兩個(gè)微電極、與平面膜片鉗芯片連接的微流控腔體、細(xì) 胞外液腔體；一個(gè)微電極一端接入由細(xì)胞外液腔體形成的細(xì)胞外液腔，另一端與膜片鉗信 號(hào)放大器連接；另一個(gè)微電極一端接入微流控腔體內(nèi)的細(xì)胞內(nèi)液腔，另一端與膜片鉗信號(hào) 放大器連接；微流控腔體通過入液微管道和出液微管道與微壓力控制系統(tǒng)連接。
[0014] 所述細(xì)胞外液腔體固定于平面膜片鉗芯片上，細(xì)胞外液腔體中心帶有圓孔，用于 放置和吸附細(xì)胞。
[0015] 一種細(xì)胞生理信息檢測方法，包括以下步驟：
[0016] 1)通過數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面控制微壓力控制系統(tǒng)，使平面膜片鉗電極內(nèi)形成 負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞在平面膜片鉗芯片上的吸附及吉?dú)W封接；
[0017] 2)通過控制宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和探針的微米級(jí)粗定位；
[0018] 3)通過控制Z向納米掃描器帶動(dòng)探針向細(xì)胞接近實(shí)現(xiàn)納米級(jí)位移，探針與細(xì)胞表 面的接觸時(shí)，探針懸臂梁在細(xì)胞表面的作用力下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由光電傳感器檢測激光的偏轉(zhuǎn) 信號(hào)后，通過納米操作與觀測控制器發(fā)送給數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面；
[0019] 4)數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面根據(jù)偏轉(zhuǎn)信號(hào)得到探針?biāo)艿降慕佑|力，利用納米操 作與觀測控制器調(diào)節(jié)Z向納米掃描器的位移，直到接觸力達(dá)到設(shè)定值為止；
[0020] 5)細(xì)胞經(jīng)過探針的機(jī)械力刺激后產(chǎn)生離子電流，通過電極及信號(hào)放大器實(shí)現(xiàn)離子 電流的同步檢測；
[0021] 6)信號(hào)放大器檢測的離子電流信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳輸給數(shù) 據(jù)處理與人機(jī)交互界面，并進(jìn)行數(shù)據(jù)及圖形顯示。
[0022] 所述數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面根據(jù)偏轉(zhuǎn)信號(hào)得到探針?biāo)艿降慕佑|力通過以下 公式實(shí)現(xiàn)：
[0023]
【權(quán)利要求】
1. 一種細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)，其特征在于包括：平面膜片謝模塊與納米操作機(jī)器人 模塊連接；平面膜片謝模塊；用于實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的吸附、封接和破膜、W及離子通道電流檢測； 納米操作機(jī)器人模塊：用于實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行納米觀測及納米操作。
2. 按權(quán)利要求1所述的細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述平面膜片謝模塊包 括平面膜片謝電極（14)、與其連接的膜片謝信號(hào)放大器（15)和微壓力控制系統(tǒng)（16)、W及 與膜片謝信號(hào)放大器（15)連接的數(shù)據(jù)采集卡（11);微壓力控制系統(tǒng)（16)與納米操作機(jī)器 人模塊連接。
3. 按權(quán)利要求1所述的細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述納米操作機(jī)器人模 塊包括；宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器（1)與上面固定有XY向納米掃描器（3)的宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（2) 連接，納米操作與觀測控制器（4)與XY向納米掃描器（3)、數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面（12)、 連接有探針（10)的Z向納米掃描器（9)連接，數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面（12)與數(shù)據(jù)采集 卡（11)、光學(xué)顯微鏡（7)、宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器（1)、微壓力控制系統(tǒng)（16)連接，光電傳感器 (5)與納米操作與觀測控制器（4)連接，激光器（6)與直角棱鏡（8)、光學(xué)顯微鏡（7)固定于 XY向納米掃描器（3)上方；XY向納米掃描器（3)上面固定有平面膜片謝電極（14)。
4. 按權(quán)利要求1所述的細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述納米操作機(jī)器人模 塊還包括與數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面（12)連接的3D力反饋操作器（13)。
5. 按權(quán)利要求1所述的細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)，其特征在于；所述平面膜片謝電極 (14)包括兩個(gè)微電極（20、23)、與平面膜片謝芯片（26)連接的微流控腔體（29)、細(xì)胞外液 腔體（18);-個(gè)微電極（20)-端接入由細(xì)胞外液腔體（18)形成的細(xì)胞外液腔（22)，另一端 與膜片謝信號(hào)放大器（15)連接；另一個(gè)微電極（23)-端接入微流控腔體（29)內(nèi)的細(xì)胞內(nèi) 液腔（24)，另一端與膜片謝信號(hào)放大器（15)連接；微流控腔體（29)通過入液微管道（27)和 出液微管道（28)與微壓力控制系統(tǒng)（16)連接。
6. 按權(quán)利要求5所述的細(xì)胞生理信息檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述細(xì)胞外液腔體（18) 固定于平面膜片謝芯片（26)上，細(xì)胞外液腔體（18)中也帶有圓孔，用于放置和吸附細(xì)胞。
7. -種細(xì)胞生理信息檢測方法，其特征在于包括W下步驟： 1) 通過數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面（12)控制微壓力控制系統(tǒng)（16)，使平面膜片謝電極 (14)內(nèi)形成負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞（21)在平面膜片謝芯片（26)上的吸附及吉?dú)W封接； 2) 通過控制宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（2)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞（21)和探針（10)的微米級(jí)粗定位； 3) 通過控制Z向納米掃描器（9)帶動(dòng)探針（10)向細(xì)胞接近實(shí)現(xiàn)納米級(jí)位移，探針（10) 與細(xì)胞表面的接觸時(shí)，探針（10)息臂梁在細(xì)胞表面的作用力下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，由光電傳感器 (5)檢測激光（19)的偏轉(zhuǎn)信號(hào)后，通過納米操作與觀測控制器（4)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理與人機(jī) 交互界面（12); 4) 數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面（12)根據(jù)偏轉(zhuǎn)信號(hào)得到探針（10)所受到的接觸力，利用 納米操作與觀測控制器（4)調(diào)節(jié)Z向納米掃描器（9)的位移，直到接觸力達(dá)到設(shè)定值為止； 5) 細(xì)胞（21)經(jīng)過探針（10)的機(jī)械力刺激后產(chǎn)生離子電流，通過電極（20、23)及信號(hào) 放大器（15)實(shí)現(xiàn)離子電流的同步檢測； 6) 信號(hào)放大器（15)檢測的離子電流信號(hào)，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡（11)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳 輸給數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面（12)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)及圖形顯示。
8. 按權(quán)利要求7所述的一種細(xì)胞生理信息檢測方法，其特征在于：所述數(shù)據(jù)處理與人 機(jī)交互界面（12)根據(jù)偏轉(zhuǎn)信號(hào)得到探針（10)所受到的接觸力通過W下公式實(shí)現(xiàn)：
其中，F(xiàn)x、Fy、Fz為作用在針尖的H維接觸力，1為息臂梁的長度，h為針尖高度；Si和S。 是光電傳感器的水平和垂直偏差信號(hào)，^為針尖運(yùn)動(dòng)方向與X坐標(biāo)軸夾角，ki為息臂梁的扭 轉(zhuǎn)系數(shù)，k為息臂梁的彈性系數(shù)，A，B，C，D為光電傳感器四個(gè)象限輸出的電信號(hào)。
9. 一種細(xì)胞生理信息檢測方法，其特征在于包括W下步驟： 1-1)通過數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面（12)控制微壓力控制系統(tǒng)（16)使平面膜片謝電極 (14)內(nèi)形成負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞（21)在平面膜片謝芯片（26)上的吸附及吉?dú)W封接； 1-2)通過控制宏微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)（2)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞（21)和探針（10)的微米級(jí)粗定位； 1-3)操作者手動(dòng)操作3D力反饋操作器（13)，操作手柄的位置信息經(jīng)過數(shù)據(jù)處理與人 機(jī)交互界面（12)進(jìn)行坐標(biāo)變換得到探針（10)的位置數(shù)字信息后，傳遞給納米操作與觀測 控制器（4); 1-4)納米操作與觀測控制器（4)把得到的探針位置數(shù)字信息變換成相應(yīng)的控制電壓， 控制XY向納米掃描器（3)及Z向掃描器（9)來產(chǎn)生水平和垂直位移，使探針（10)跟隨3D 力反饋操作器（13)向細(xì)胞進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)； 1-5)探針（10)與細(xì)胞（21)表面接觸時(shí)，探針（10)息臂梁在細(xì)胞表面的作用力下發(fā)生 偏轉(zhuǎn)，由光電傳感器（5 )檢測激光（19 )的偏轉(zhuǎn)信號(hào)后，通過納米操作與觀測控制器（4 )發(fā)送 給數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面（12); 1-6)數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面（12)根據(jù)激光的偏轉(zhuǎn)信號(hào)得到探針?biāo)艿降慕佑|力，并 進(jìn)行放大后傳遞給力反饋操作器（13); 1-7)細(xì)胞（21)經(jīng)過探針（10)的機(jī)械力刺激后產(chǎn)生離子電流，通過微電極（20、23)及 信號(hào)放大器（15)可實(shí)現(xiàn)離子電流的同步檢測； 1-8 )數(shù)據(jù)采集卡（11)將信號(hào)放大器（15 )檢測的離子電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳輸 給數(shù)據(jù)處理與人機(jī)交互界面（12)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)及圖形顯示。
10. 按權(quán)利要求9所述的一種細(xì)胞生理信息檢測方法，其特征在于：所述數(shù)據(jù)處理與人 機(jī)交互界面（12)根據(jù)偏轉(zhuǎn)信號(hào)得到探針（10)所受到的接觸力通過W下公式實(shí)現(xiàn)：
其中，F(xiàn)x、Fy、Fz為作用在針尖的H維接觸力，1為息臂梁的長度，h為針尖高度；Si和Sn 是光電傳感器的水平和垂直偏差信號(hào)，^為針尖運(yùn)動(dòng)方向與X坐標(biāo)軸夾角，ki為息臂梁的扭 轉(zhuǎn)系數(shù)，k為息臂梁的彈性系數(shù)，A，B，C，D為對(duì)光電傳感器四個(gè)象限輸出的電信號(hào)。
【文檔編號(hào)】C12Q1/02GK104419642SQ201310374751
【公開日】2015年3月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月22日
【發(fā)明者】劉連慶, 于鵬, 張常麟, 李鵬, 李廣勇 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所