表面等離子體共振傳感芯片及細(xì)胞響應(yīng)檢測系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種能夠長時間、穩(wěn)定、均勻地維持細(xì)胞生長所需溫度的表面等離子體共振傳感芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]細(xì)胞是生命體的基本單元。細(xì)胞檢測有助于深入理解生命活動過程的本質(zhì)，有利于疾病診斷和藥物開發(fā)。表面等離子體共振(SPR)傳感技術(shù)具有實(shí)時、靈敏、無需標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn)，利用SPR檢測細(xì)胞響應(yīng)，特別是癌細(xì)胞對不同化療方案的響應(yīng)，已經(jīng)成為近十年來的研究熱點(diǎn)。
[0003]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的SPR傳感芯片系統(tǒng)10的示意圖。為了方便說明，圖中省去了光學(xué)部分中的光學(xué)耦合器件和角度調(diào)節(jié)器件以及數(shù)據(jù)采集處理部分中的A/D轉(zhuǎn)換電路和計(jì)算機(jī)等，而僅以光源120和光學(xué)檢測單元130來分別作為光學(xué)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的代表。傳感芯片110包括蓋體玻璃、起于流入口并終于流出口的流體通道和位于下部的用于激發(fā)SPR的棱鏡，其中棱鏡的上表面鍍有貴金屬膜，通常是金膜?？梢詫⑸锓肿踊蚣?xì)胞接種在金屬膜的表面，當(dāng)這些生物分子或細(xì)胞由于與培養(yǎng)液相互作用而發(fā)生變化時，會導(dǎo)致金屬膜表面結(jié)構(gòu)的改變，從而導(dǎo)致SPR角的改變。根據(jù)SPR角的改變值，就能夠得出相應(yīng)生物檢測的結(jié)果。為了更好的進(jìn)行生物培養(yǎng)，需要對培養(yǎng)環(huán)境進(jìn)行控制。如圖所示，在流體通道附近布置有用于感測流量的流量傳感器、用于感測溫度的溫度傳感器、以及用于將流體溫度維持至預(yù)設(shè)溫度(通常為37攝氏度)的加熱器。
[0004]長時間維持細(xì)胞正常生長所需的溫度，是實(shí)現(xiàn)SPR細(xì)胞檢測的重要條件之一。在現(xiàn)有技術(shù)中，通常會使用多片加熱器(通常是批量生產(chǎn)的TEC制冷片)包裹細(xì)胞培養(yǎng)室四周(不僅是圖1中示出的4片)，通過比較傳感芯片內(nèi)部實(shí)際溫度與預(yù)設(shè)溫度的差異，控制TEC制冷片的電流方向和大小，實(shí)現(xiàn)對傳感芯片的溫度控制。
[0005]由于SPR傳感芯片需要在底部放置棱鏡，并且需要將頂部留作觀察窗口，因此導(dǎo)致傳感芯片上下部溫控措施不足，傳感芯片的外部溫度變化會導(dǎo)致其內(nèi)部溫度的波動，影響長期檢測的穩(wěn)定性。另外，對于基于流動培養(yǎng)的傳感芯片，由于培養(yǎng)液進(jìn)樣時的溫度(通常為室溫)較預(yù)設(shè)溫度(通常為37攝氏度)低，培養(yǎng)液的流動會導(dǎo)致傳感芯片內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度。這樣會對傳感芯片內(nèi)不同位置的細(xì)胞生長造成不同程度的影響，進(jìn)而影響檢測結(jié)果的一致性。最后，現(xiàn)在使用的TEC器件屬于批量生產(chǎn)器件，外形通常單一，不利于溫控結(jié)構(gòu)設(shè)
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[0006]由此，需要一種能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的至少一個缺點(diǎn)的表面等離子體共振傳感芯片。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明所要解決的一個技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種新的用于SPR細(xì)胞檢測的溫度控制方法和傳感芯片，能夠長時間、穩(wěn)定、均勻地維持細(xì)胞生長所需的溫度，實(shí)現(xiàn)長時間SPR檢測細(xì)胞對外界刺激的響應(yīng)。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種表面等離子體共振傳感芯片，包括:培養(yǎng)腔，培養(yǎng)腔具有培養(yǎng)液流入口和培養(yǎng)液流出口；加熱裝置，加熱裝置包括具有兩層導(dǎo)熱金屬和夾在中間的高電阻率膜的夾層結(jié)構(gòu)并且具有貫通結(jié)構(gòu)，其中培養(yǎng)腔嵌入在貫通結(jié)構(gòu)內(nèi)；培養(yǎng)液流入通道，培養(yǎng)液流入通道使得其內(nèi)的培養(yǎng)液在進(jìn)入培養(yǎng)腔的培養(yǎng)液流入口之前流經(jīng)加熱裝置的一個表面；以及位于培養(yǎng)腔下部并與培養(yǎng)腔緊密封接的棱鏡，棱鏡與培養(yǎng)腔接合的表面上鍍有貴金屬膜。
[0009]優(yōu)選地，傳感芯片還可以包括透明或半透明的隔熱外殼。
[0010]優(yōu)選地，培養(yǎng)液流入通道位于隔熱外殼內(nèi)，加熱裝置嵌在隔熱外殼中，并且加熱裝置的表面與培養(yǎng)液流入通道緊密相鄰。
[0011]優(yōu)選地，傳感芯片還可以包括:位于隔熱外殼內(nèi)的培養(yǎng)液流出通道，該培養(yǎng)液流出通道與培養(yǎng)腔的培養(yǎng)液流出口連通。
[0012]優(yōu)選地，培養(yǎng)腔包括上部的灌流室和下部的培養(yǎng)室，以及夾在兩室中間的多孔膜，其中培養(yǎng)液流入口和培養(yǎng)液流出口位于灌流室處。
[0013]優(yōu)選地，灌流室的內(nèi)腔可以是等高腔體，等高腔體的水平截面由一個三角形、一個正方形和一個半圓形拼接而成，培養(yǎng)液流入口位于三角形的頂角處，培養(yǎng)液流出口位于半圓形的頂點(diǎn)處。相應(yīng)地，培養(yǎng)室可以是圓柱體并且位于正方形的下部。
[0014]優(yōu)選地，培養(yǎng)室具有細(xì)胞注入口和細(xì)胞排出口，細(xì)胞注入口和細(xì)胞排出口在培養(yǎng)液流經(jīng)灌流室時封閉。
[0015]優(yōu)選地，灌流室、培養(yǎng)室以及多孔膜可以通過注塑一次成型。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種細(xì)胞響應(yīng)檢測系統(tǒng)，包括:如上所述的表面等離子體共振傳感芯片;光學(xué)組件，用于發(fā)射并調(diào)制用于射入表面等離子體共振傳感芯片中的棱鏡的入射光；以及數(shù)據(jù)采集和處理組件，用于接收來自光學(xué)組件的入射光的數(shù)據(jù)以及來自棱鏡的反射光的數(shù)據(jù)并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以獲取細(xì)胞響應(yīng)的檢測結(jié)果。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種細(xì)胞響應(yīng)檢測方法，包括:將細(xì)胞注入如上所述的表面等離子體共振傳感芯片的培養(yǎng)腔，其中細(xì)胞在棱鏡上表面的貴金屬膜上生長；使培養(yǎng)液持續(xù)流過傳感芯片的灌流室，其中培養(yǎng)室通過隔層進(jìn)行培養(yǎng)液交換;使入射光通過棱鏡入射至棱鏡的上表面；以及采集入射和反射光數(shù)據(jù)并加以處理以獲取細(xì)胞響應(yīng)的檢測結(jié)果。
[0018]這樣，通過引入具有夾層結(jié)構(gòu)的加熱裝置，使得加熱裝置能夠更為容易地適應(yīng)培養(yǎng)腔的各種形狀。另外，由于培養(yǎng)液在流入培養(yǎng)腔之前流經(jīng)加熱裝置的一個表面，因此能夠消除培養(yǎng)液與培養(yǎng)腔的溫度差，保證培養(yǎng)腔內(nèi)的溫度穩(wěn)定。
[0019]另外，本發(fā)明還通過引入隔熱外殼和“兩室”結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)腔，進(jìn)一步隔離細(xì)胞生長內(nèi)部環(huán)境與外部大環(huán)境的熱量傳導(dǎo)。
【附圖說明】
[0020]通過結(jié)合附圖對本公開示例性實(shí)施方式進(jìn)行更詳細(xì)的描述，本公開的上述以及其它目的、特征和優(yōu)勢將變得更加明顯，其中，在本公開示例性實(shí)施方式中，相同的參考標(biāo)號通常代表相同部件。[0021 ]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的SPR傳感芯片系統(tǒng)的示意圖。
[0022]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的SPR傳感芯片的截面圖。
[0023]圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的具有夾層結(jié)構(gòu)的加熱裝置的截面圖。
[0024]圖4是圖3所示夾層結(jié)構(gòu)的俯視圖。
[0025]圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例具有“兩室”結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)腔的截面圖。
[0026]圖6是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例具有“兩室”結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)腔的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的優(yōu)選實(shí)施方式。雖然附圖中顯示了本公開的優(yōu)選實(shí)施方式，然而應(yīng)該理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施方式所限制。相反，提供這些實(shí)施方式是為了使本公開更加透徹和完整，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整地傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。
[0028]由于現(xiàn)有的SPR傳感芯片無法為SPR細(xì)胞響應(yīng)檢測良好的溫度控制來精確模擬細(xì)胞生長的環(huán)境，本發(fā)明提出了一種具有能夠良好控溫的新穎結(jié)構(gòu)的SPR傳感芯片。不同于現(xiàn)有技術(shù)中利用半導(dǎo)體制冷原理的TEC制冷片，本發(fā)明通過具有夾層結(jié)構(gòu)的加熱裝置來進(jìn)行溫度控制。另外，通過使得培養(yǎng)液在進(jìn)入培養(yǎng)腔之前，先流過加熱裝置的表面以預(yù)熱至預(yù)設(shè)溫度，消除由于培養(yǎng)液流動引起的培養(yǎng)液灌流室內(nèi)部的溫度梯度。此外，使用透明或半透明的隔熱外殼包裹除棱鏡外的傳感芯片，在保證細(xì)胞生長可觀察性的同時進(jìn)一步增強(qiáng)傳感芯片抵抗外部溫度變化的能力。最后，通過引入具有“兩室”結(jié)構(gòu)的培養(yǎng)腔，進(jìn)一步減少流體溫度變化對位于下部細(xì)胞培養(yǎng)室內(nèi)的細(xì)胞生長的影響。
[0029]圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的SPR傳感芯片210的截面圖。該傳感芯片210可以包括隔熱外殼201、加熱裝置202、培養(yǎng)腔204、培養(yǎng)液流入通道205以及培養(yǎng)液流出通道206。
[0030]培養(yǎng)腔201具有培養(yǎng)液流入口和培養(yǎng)液流出口用于培養(yǎng)液的流出和排出。如圖所示，培養(yǎng)液流入口和培養(yǎng)液流出口可以分別看作是培養(yǎng)液流入通道205的尾端和培養(yǎng)液流出通道206的首端。