一種細胞生理信息檢測系統及其檢測方法

一種細胞生理信息檢測系統及其檢測方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于平面膜片鉗技術及機器人化探針操控技術的細胞生理信息檢測裝置和方法。一種細胞生理信息檢測系統，包括平面膜片鉗模塊與納米操作機器人模塊連接;平面膜片鉗模塊：用于實現細胞的吸附、封接和破膜；納米操作機器人模塊：用于實現對細胞進行納米觀測及納米操作。一種細胞生理信息檢測方法，通過控制宏微運動平臺和Z向納米掃描器帶動探針實現納米級位移；由光電傳感器檢測激光偏轉信號反饋至數據處理與人機交互界面，得到探針受到的接觸力，并通過電極及信號放大器實現離子電流的同步檢測。本發明能夠利用掃描探針在細胞表面施加皮牛頓級到納牛頓級的超微機械力刺激，同時利用平面膜片鉗實現對細胞的機械門控離子通道電流的檢測。
【專利說明】一種細胞生理信息檢測系統及其檢測方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種多參數活體細胞生理信息檢測技術，具體地說是一套多參數活體 細胞生理信息檢測系統及其檢測方法，主要用于生命科學領域。 技術背景
[0002] 目前，基于細胞水平的多學科交叉研究正成為新的技術發展動力。運用活體細胞 生理狀態下的微觀測與微操控理論方法，提取反映機體狀態與反映的細胞水平的生物標志 信息，無疑將成為生命科學領域新技術發展的關鍵技術。
[0003] 目前基于細胞水平的科學研究主要依賴于以下兩個方面：
[0004] 基于生物電流檢測原理的膜片鉗技術。運用微管道與微信號處理技術，實現活體 細胞的離子通道檢測，已成為生物醫學基礎研究和藥物篩選的重要方法。但是目前市場上 此類商業化產品只能實現電壓門控離子通道檢測，無法實現機械門控離子通道檢測。
[0005] 基于細胞活性狀態的物理特征檢測技術。運用微納米觀測操控技術，探索細胞 機械特性(硬度、振動等)，用以表征細胞的活性及其健康水平，建立細胞生理狀態的特征描 述，近年來已成為微納米與生物學結合發展的重要方向，這對促進生物學研究進展，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進行 細胞進行微納米觀測與操控的有效手段，遺憾的是目前此類產品缺乏對細胞離子通道電流 的檢測能力。
[0006] 本發明將結合平面膜片鉗技術和機器人化探針操控技術，建立一套細胞生理信息 檢測系統和檢測方法。該系統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 活體細胞高分辨率表征、活體細胞物理量檢測、分子力檢測等功能外，依靠本方法還可實現 細胞超微機械刺激與電生理信號的同步施加和檢測、人為干預的機器人化納米操作及細胞 電生理信號檢測等功能。本發明為開展生命科學領域中跨膜信號轉導、機械門控離子通道、 細胞生物特征檢測、生物分子相互識別與靶標測試等重要科學實驗研究提供系統支撐和技 術手段。


【發明內容】

[0007] 針對活體細胞研究中對高分辨率表征、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檢測的功能需求，本發明目的在于提供一種同時滿足上述功能需求的 活體細胞生理信息檢測系統及其檢測方法。
[0008] 本發明的技術方案如下：
[0009] -種細胞生理信息檢測系統，包括：平面膜片鉗模塊與納米操作機器人模塊連 接；平面膜片鉗模塊：用于實現細胞的吸附、封接和破膜、以及離子通道電流檢測；納米操 作機器人模塊：用于實現對細胞進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放大器和微壓 力控制系統、以及與膜片鉗信號放大器連接的數據采集卡；微壓力控制系統與納米操作機 器人模塊連接。
[0011] 所述納米操作機器人模塊包括：宏微運動平臺控制器與上面固定有XY向納米掃 描器的宏微運動平臺連接，納米操作與觀測控制器與XY向納米掃描器、數據處理與人機交 互界面、連接有探針的Z向納米掃描器連接，數據處理與人機交互界面與數據采集卡、光學 顯微鏡、宏微運動平臺控制器、微壓力控制系統連接，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] 所述納米操作機器人模塊還包括與數據處理與人機交互界面連接的3D力反饋操 作器。
[0013] 所述平面膜片鉗電極包括兩個微電極、與平面膜片鉗芯片連接的微流控腔體、細 胞外液腔體；一個微電極一端接入由細胞外液腔體形成的細胞外液腔，另一端與膜片鉗信 號放大器連接；另一個微電極一端接入微流控腔體內的細胞內液腔，另一端與膜片鉗信號 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連接。
[0014] 所述細胞外液腔體固定于平面膜片鉗芯片上，細胞外液腔體中心帶有圓孔，用于 放置和吸附細胞。
[0015] 一種細胞生理信息檢測方法，包括以下步驟：
[0016] 1)通過數據處理與人機交互界面控制微壓力控制系統，使平面膜片鉗電極內形成 負壓，實現細胞在平面膜片鉗芯片上的吸附及吉歐封接；
[0017] 2)通過控制宏微運動平臺實現細胞和探針的微米級粗定位；
[0018] 3)通過控制Z向納米掃描器帶動探針向細胞接近實現納米級位移，探針與細胞表 面的接觸時，探針懸臂梁在細胞表面的作用力下發生偏轉，由光電傳感器檢測激光的偏轉 信號后，通過納米操作與觀測控制器發送給數據處理與人機交互界面；
[0019] 4)數據處理與人機交互界面根據偏轉信號得到探針所受到的接觸力，利用納米操 作與觀測控制器調節Z向納米掃描器的位移，直到接觸力達到設定值為止；
[0020] 5)細胞經過探針的機械力刺激后產生離子電流，通過電極及信號放大器實現離子 電流的同步檢測；
[0021] 6)信號放大器檢測的離子電流信號，經過數據采集卡轉換成數字信號后傳輸給數 據處理與人機交互界面，并進行數據及圖形顯示。
[0022] 所述數據處理與人機交互界面根據偏轉信號得到探針所受到的接觸力通過以下 公式實現：
[0023]

【權利要求】
1. 一種細胞生理信息檢測系統，其特征在于包括：平面膜片謝模塊與納米操作機器人 模塊連接；平面膜片謝模塊；用于實現細胞的吸附、封接和破膜、W及離子通道電流檢測； 納米操作機器人模塊：用于實現對細胞進行納米觀測及納米操作。
2. 按權利要求1所述的細胞生理信息檢測系統，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放大器（15)和微壓力控制系統（16)、W及 與膜片謝信號放大器（15)連接的數據采集卡（11);微壓力控制系統（16)與納米操作機器 人模塊連接。
3. 按權利要求1所述的細胞生理信息檢測系統，其特征在于：所述納米操作機器人模 塊包括；宏微運動平臺控制器（1)與上面固定有XY向納米掃描器（3)的宏微運動平臺（2) 連接，納米操作與觀測控制器（4)與XY向納米掃描器（3)、數據處理與人機交互界面（12)、 連接有探針（10)的Z向納米掃描器（9)連接，數據處理與人機交互界面（12)與數據采集 卡（11)、光學顯微鏡（7)、宏微運動平臺控制器（1)、微壓力控制系統（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. 按權利要求1所述的細胞生理信息檢測系統，其特征在于：所述納米操作機器人模 塊還包括與數據處理與人機交互界面（12)連接的3D力反饋操作器（13)。
5. 按權利要求1所述的細胞生理信息檢測系統，其特征在于；所述平面膜片謝電極 (14)包括兩個微電極（20、23)、與平面膜片謝芯片（26)連接的微流控腔體（29)、細胞外液 腔體（18);-個微電極（20)-端接入由細胞外液腔體（18)形成的細胞外液腔（22)，另一端 與膜片謝信號放大器（15)連接；另一個微電極（23)-端接入微流控腔體（29)內的細胞內 液腔（24)，另一端與膜片謝信號放大器（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（16)連接。
6. 按權利要求5所述的細胞生理信息檢測系統，其特征在于：所述細胞外液腔體（18) 固定于平面膜片謝芯片（26)上，細胞外液腔體（18)中也帶有圓孔，用于放置和吸附細胞。
7. -種細胞生理信息檢測方法，其特征在于包括W下步驟： 1) 通過數據處理與人機交互界面（12)控制微壓力控制系統（16)，使平面膜片謝電極 (14)內形成負壓，實現細胞（21)在平面膜片謝芯片（26)上的吸附及吉歐封接； 2) 通過控制宏微運動平臺（2)實現細胞（21)和探針（10)的微米級粗定位； 3) 通過控制Z向納米掃描器（9)帶動探針（10)向細胞接近實現納米級位移，探針（10) 與細胞表面的接觸時，探針（10)息臂梁在細胞表面的作用力下發生偏轉，由光電傳感器 (5)檢測激光（19)的偏轉信號后，通過納米操作與觀測控制器（4)發送給數據處理與人機 交互界面（12); 4) 數據處理與人機交互界面（12)根據偏轉信號得到探針（10)所受到的接觸力，利用 納米操作與觀測控制器（4)調節Z向納米掃描器（9)的位移，直到接觸力達到設定值為止； 5) 細胞（21)經過探針（10)的機械力刺激后產生離子電流，通過電極（20、23)及信號 放大器（15)實現離子電流的同步檢測； 6) 信號放大器（15)檢測的離子電流信號，經過數據采集卡（11)轉換成數字信號后傳 輸給數據處理與人機交互界面（12)，并進行數據及圖形顯示。
8. 按權利要求7所述的一種細胞生理信息檢測方法，其特征在于：所述數據處理與人 機交互界面（12)根據偏轉信號得到探針（10)所受到的接觸力通過W下公式實現：
其中，Fx、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，^為針尖運動方向與X坐標軸夾角，ki為息臂梁的扭 轉系數，k為息臂梁的彈性系數，A，B，C，D為光電傳感器四個象限輸出的電信號。
9. 一種細胞生理信息檢測方法，其特征在于包括W下步驟： 1-1)通過數據處理與人機交互界面（12)控制微壓力控制系統（16)使平面膜片謝電極 (14)內形成負壓，實現細胞（21)在平面膜片謝芯片（26)上的吸附及吉歐封接； 1-2)通過控制宏微運動平臺（2)實現細胞（21)和探針（10)的微米級粗定位； 1-3)操作者手動操作3D力反饋操作器（13)，操作手柄的位置信息經過數據處理與人 機交互界面（12)進行坐標變換得到探針（10)的位置數字信息后，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字信息變換成相應的控制電壓， 控制XY向納米掃描器（3)及Z向掃描器（9)來產生水平和垂直位移，使探針（10)跟隨3D 力反饋操作器（13)向細胞進行實時運動； 1-5)探針（10)與細胞（21)表面接觸時，探針（10)息臂梁在細胞表面的作用力下發生 偏轉，由光電傳感器（5 )檢測激光（19 )的偏轉信號后，通過納米操作與觀測控制器（4 )發送 給數據處理與人機交互界面（12); 1-6)數據處理與人機交互界面（12)根據激光的偏轉信號得到探針所受到的接觸力，并 進行放大后傳遞給力反饋操作器（13); 1-7)細胞（21)經過探針（10)的機械力刺激后產生離子電流，通過微電極（20、23)及 信號放大器（15)可實現離子電流的同步檢測； 1-8 )數據采集卡（11)將信號放大器（15 )檢測的離子電流信號轉換成數字信號后傳輸 給數據處理與人機交互界面（12)，并進行數據及圖形顯示。
10. 按權利要求9所述的一種細胞生理信息檢測方法，其特征在于：所述數據處理與人 機交互界面（12)根據偏轉信號得到探針（10)所受到的接觸力通過W下公式實現：

其中，Fx、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，^為針尖運動方向與X坐標軸夾角，ki為息臂梁的扭 轉系數，k為息臂梁的彈性系數，A，B，C，D為對光電傳感器四個象限輸出的電信號。
【文檔編號】C12Q1/02GK104419642SQ201310374751
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月22日 優先權日:2013年8月22日
【發明者】劉連慶, 于鵬, 張常麟, 李鵬, 李廣勇 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所