CN102385004A

CN102385004A - 一种细胞电阻测量系统

Info

Publication number: CN102385004A
Application number: CN2011103242954A
Authority: CN
Inventors: 王东; 单纯玉; 郝丽俊
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2012-03-21

Abstract

本发明涉及一种细胞电阻测量系统，交流方波微电流源电路将交流方波微电流信号施加在被测细胞上，输出与被测细胞电阻成正比的交流方波电压，该电压通过精密整流电路变成直流电压后，送入A/D转换电路进行模数转换，产生与被测细胞电阻成比例的数字量，然后送数字显示电路显示，电源电路将9V电池单电源变换成对称输出±4.5V的双电源，供各电路使用。简化了电路结构，提高测量准确度；消除细胞膜电位对测量结果的影响；消除测量电极的电解作用，提高细胞的电穿孔效率；提高系统的可靠性和安全性；提高仪器的抗干扰能力，也给仪器使用带来方便。

Description

一种细胞电阻测量系统

技术领域

本发明涉及一种测量仪器，特别涉及一种细胞电阻测量系统。

背景技术

细胞是生命的基本单位，细胞的特殊性决定了个体的特殊性，因此，对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键。一切动物细胞都被一层薄膜所包围，称为细胞膜或质膜，它把细胞内容物与细胞周围环境分隔开来，使细胞能相对地独立于环境而存在。很明显，细胞要维持正常的生命活动，不仅细胞的内容物不能流失，而且其化学组成必须保持相对稳定，这就需要在细胞和它所处的环境之间有起屏障作用的结构；但细胞在不断进行新陈代谢的过程中，又需要经常由外界得到氧气和营养物质。排出细胞的代谢产物，而这些物质的进入和排出，都必须经过细胞膜，这就涉及到物质的跨膜转运过程。因此，细胞膜必然是一个具有特殊结构和功能的半透性膜，它允许某些物质或离子有选择的通过，但又能严格地限制其他一些物质的进出，保持了细胞内物质成分的稳定。细胞膜除了有物质转运功能外，还有跨膜信息传递和能量转换功能，这些功能的机制是由膜的分子组成和结构决定的。细胞膜成分中的脂质分子层主要起了屏障作用，而细胞膜中的特殊蛋白质则与物质、能量和信息的跨膜转运和转换有关。

膜的电穿孔是一种现象。通过电脉冲技术使磷脂或磷脂蛋白膜上产生暂时、可逆的孔道或通透。当细胞暴露在电场中，在细胞膜上诱发跨膜电压，如果电压超过某一个值时，导致细胞膜的通透性和电导率显著增加，一般要增加几个数量级。由于膜的通透性增加，在其它运输机制下不能穿越细胞膜的分子可以穿越细胞膜。给细胞膜应用适当强度和宽度的电场，在电场过后，细胞膜可以由通透状态恢复到正常状态，产生可逆电穿孔，因而，如果电场的强度过大或宽度过长，电场过后，细胞膜不能重新封闭，导致细胞死亡，造成不可逆电穿孔；虽然电穿孔在分子水平上的机理和大分子的电子转运机制还不太清楚，但电穿孔可以实现基因转染，电化学治疗，外蛋白质的电子镶嵌，经皮给药等。

在医学和生物学中已经广泛应用。

细胞外液和细胞内液均为含电解质的液体，可以看作具有一定电阻的两个导体。细胞膜脂质双层类似于一个平板电容器，相对地视作绝缘体，因此细胞膜具有显著的电容特性。当膜上的离子通道开放而引起带电离子的跨膜流动时，就相当于在电容器上充电或放电而产生的电位差，称为跨膜电位或简称为膜电位。细胞膜对穿过它的电流所呈现的电阻称为膜电阻。由于电阻性电流是由离子传递，所以它是由膜对各种离子通透性的大小和通透离子是否大量存在等因素决定的。对带电离子而言，膜电导就是膜对离子的通透性。

在电穿孔实验研究中，细胞电阻测定有两个重要意义；一个是在电穿孔过程开始前，测得缓冲体系的电阻值，只有电阻在特定范围内才能保证电穿孔的效率。若电阻过低，意味着离子浓度过高，电场中高浓度离子的泳动会直接影响电穿孔的作用效果，最终降低电穿孔效率，甚至导致电穿孔失败。所以了解电阻值，对设计实验很重要，有它做参考，电穿孔成功率更高，实验重复性更好。另一个意义是在电穿孔过程完成后，测得缓冲体系的电阻值，与参考值进行比较，可以判断电穿孔的效果。因为在电场的作用下，细胞膜形成孔道后，其导电能力增强，膜电阻下降。

由于细胞膜点位的存在，在细胞电阻的测量时必须消除膜电容和膜电压对测量结果的影响。因此，不能采用普通电阻仪或万用表进行测量。同时，要避免应用电流在细胞上产生净电荷，对细胞膜产生不利影响。另外，测量电极不能因电解作用产生金属沉淀，而影响细胞成活率，导致电穿孔效率下降。

发明内容

本发明针对现在普通的测量手段无法对细胞电阻进行测量，并且测量困难的问题，提出了一种细胞电阻测量系统，满足细胞测量的特殊性，精度高，可以用于生命科学研究和医学研究。

本发明的技术方案为：一种细胞电阻测量系统，交流方波微电流源电路将交流方波微电流信号施加在被测细胞上，输出与被测细胞电阻成正比的交流方波电压，该电压通过精密整流电路变成直流电压后，送入A/D转换电路进行模数转换，产生与被测细胞电阻成比例的数字量，然后送数字显示电路显示，电源电路将9V电池单电源变换成对称输出±4.5V的双电源，供各电路使用。

所述电源电路由开关、CMOS开关电容电压转换器TL7660、变换电容和两个串联的滤波电容组成，9V电池通过开关接TL7660的Vcc和Vout，CMOS开关电容电压转换器TL7660的LV和GND脚接在两个串联的滤波电容中间点，两个串联滤波电容的另一端分别输出+4.5V和-4.5V电源。

所述交流方波微电流源电路由振荡器、恒流源电路和保护电路组成，振荡器的CMOS定时芯片ICM7555的VCC和GND引脚分别接所述电源电路输出的+4.5V和-4.5V端，定时芯片ICM7555输出引脚OUT经充放电电阻与充放电容器串联连接后接-4.5V电源，恒流源电路由三端可调恒流源器件LM334和可调电位器组成，定时芯片ICM7555输出引脚OUT分别通过两个二极管分两路分别接三端可调恒流源器件LM334和可调电位器组成正恒流源和负恒流源，正恒流源和负恒流源分别经过保护二极管输出接+4.5V和-4.5V端，正恒流源和负恒流源输出点和地接串联的保护电路和被测细胞电阻。

所述精密整流电路包括交流耦合电容、防电穿孔脉冲保护电路、高输入阻抗微功耗电压跟随器和整流电路组成，被测细胞电阻的输出电压进行交流耦合电容，去除细胞膜电位产生的直流成分后，经过防电穿孔脉冲保护电路接高输入阻抗微功耗电压跟随器，提高电路的输出阻抗，消除后接整流电路对被测细胞电阻电压的影响，高输入阻抗微功耗电压跟随器输出接整流电路。

所述A/D转换电路依次包括量程选择电路、低通滤波器和双积分3位半A/D转换的CMOS型集成电路。

本发明的有益效果在于：本发明细胞电阻测量系统，简化了电路结构，提高测量准确度；消除细胞膜电位对测量结果的影响；消除测量电极的电解作用，提高细胞的电穿孔效率；提高系统的可靠性和安全性；提高仪器的抗干扰能力，也给仪器使用带来方便。

附图说明

图1是本发明细胞电阻测量系统工作原理框图；

图2是本发明细胞电阻测量系统电源电路和交流方波微电流源电路图；

图3是本发明细胞电阻测量系统精密整流电路图；

图4是本发明细胞电阻测量系统A/D转换和数字显示电路图。

具体实施方式

如图1所示细胞电阻测量系统工作原理框图，交流方波微电流源电路将交流方波微电流信号施加在被测细胞电阻上，在被测细胞电阻上产生与被测电阻值成正比的交流方波电压，该电压通过精密整流电路变成直流电压后，送入A/D转换电路进行模数转换，产生与被测电阻值成比例的数字量，这个数字量由数字显示电路显示。通过调节比例关系，使显示数字与被测电阻值一致。电源电路将9V电池单电源变换成对称输出±4.5V的双电源，供各电路使用。

电源电路和交流方波微电流源电路如图2所示。电源电路由开关S1、集成电路IC1和电容C1、C2、C3组成。IC1是单路电源到对称双路电源转换。TL7660是一款CMOS开关电容电压转换器，可执行从正极到负极的电源电压转换。仅需两个外部电容器来实现充电泵和电荷的储存功能，实现正电源到负电源的转换。利用电路的双向特点，将9V电池单电源变换成对称输出±4.5V的双电源，供其他电路使用。电源的输出阻抗比标准电路低得多，该电路可输出较大的电流。TL7660的静态电流45μA，转换效率在高达97%。IC1的7脚是振荡器外接电容，在此电路中，7脚不接电容，IC1的振荡频率为10kHz。电容C1是变换电容，电容器C2、C3是滤波电容，实现对±4.5V电源滤波。

集成电路IC2、电阻R1、电容C4和C5组成振荡器，其作用是输出对称的交流方波。CMOS定时电路ICM7555的工作电压范围宽3～18V，静态电流60μA，

非常适合电池供电产品。输出电流可达20mA，其输出逻辑电平接近电源电压。IC2的电源引脚VCC接+4.5V电源，接地引脚GND接-4.5V电源，IC2输出引脚OUT经电阻R1，与电容器C5串联连接后接-4.5V电源。当IC2输出高电平时，IC2通过R1给电容器C5充电，当IC2输出低电平时，IC2通过R1给电容器C5放电。IC2的引脚2和引脚6检测电容C5上的电压，当C5上的电压充电超过+1.5V时，IC2的输出由+4.5V变为低的-4.5V。IC2开始给C5放电，C5上的电压开始下降，当C5上的电压下降到低于-1.5V时，IC2的输出由-4.5V变为低的+4.5V，又转为对C5充电。由于充电和放电的时间常数相同（时间常数=R1×C5），所以在IC2引脚3输出幅度为±4.5V，占空比为50%，频率为500Hz的对称交流方波。IC2输出的对称交流方波经过二极管D1、D2分别给恒流源电路IC3和IC4。IC2输出为+4.5V时，二极管D1导通，D2截止，给IC3施加正电源。IC2输出为-4.5V时，二极管D2导通，D1截止，给IC4施加负电源。

集成电路IC3和电位器P1构成正恒流源，集成电路IC4和电位器P2构成负恒流源。IC3和IC4采用三端可调恒流源器件LM334，在工作电流内恒流源可调范围为1μA～10mA ，并且具有1～40V宽的动态电压范围，恒流特性非常好。恒流源的建立只需1只外接电阻而不再需要其他元件，其输出电流的大小是由外接调节电阻R所决定。电位器P1、P2用于调节恒流源的输出电流。调节P1使IC3输出电流为+10μA，调节P2使IC4输出电流为-10μA。从而在电阻R2和被测电阻Rx上施加±10μA，500Hz的电流。该电流在被测电阻Rx产生与被测电阻值成正比的输出电压V_O1。通过测量V_O1，可测得被测电阻Rx。

二极管D3、D4和电阻R2构成保护电路。当被测电阻Rx施加电穿孔高压脉冲时，保护电路使IC3和IC4上的端电压不超过可承受电压。D3、D4的漏电流小于100nA，由于是恒流源，电阻R2对输出电流没有影响。

精密整流电路如图3所示。精密整流电路的作用是将被测电阻的输出电压V_O1进行整流。整流后输出直流电压V_O3。V_O3经A/ D转换后进行数字显示。

电容器C6是交流耦合电容，其作用是去除细胞膜电位产生的直流成分。二极管D5、D6和电阻R3构成保护电路，保护精密整流电路和A/D转换、显示电路不受电穿孔脉冲的影响。集成电路IC6是高输入阻抗微功耗电压跟随器，其作用是提高电路的输出阻抗，消除精密整流电路对被测电压V_O1的影响。电容C7、C8是电源滤波电容。

集成电路IC7、IC8，二极管D7、D8和电阻R4、R5、R6、R7、R8构成精密整流电路。其工作原理是，当U_O1>0时，IC7输出为负，D7导通，D8截至。根据虚地原理，IC7的引脚6电压为0V，且R4和R5的电流相等，所以，V_O2= -V_O1，当V_O1 < 0时，D8导通，D7截至，IC8的引脚2为0，V_O2=0。利用反相求和电路将V_O2与V_O1波形相加，就可实现全波整流。当V_O1 > 0时，V_O3 = V_O1 ；当V_O1 < 0 时，V_O3 = -V_O1；故求出V_O1的绝对值，实现对V_O1的精密整流。利用集成运放的放大作用和深度负反馈消除二极管非线性造成的误差。

A/D转换和数字显示电路如图4所示。该电路的作用是将电压V_O3转换成数字信号，并同过LCD显示。电阻R9、R10和开关S2构成量程选择电路，由于选择不同被测电阻的量程，提高测量精度。电阻R11和电容C9构成低通滤波器，消除V_O3的高频成分和干扰成分。

ICL7136 是双积分3位半A/D转换的CMOS型集成电路。具有集成度高，功耗低微，抗干扰能力强等优点，适合用测量输入电压。它内部包含驱动LCD液晶显示屏电路。测量电压范围在±200 mV 到±2 V之间。电容C10是自动校零电容。电容C11、电阻R12为积分回路外界元件，C11、R12与IC9双斜积分A/D转换器。电容器C12是IC9的基准电容，它被充电的电压在反相积分时，成为基准电压。本电路中接0.01μF电容。电容C13、电阻R13与IC9内部的非门电路构成振荡器，产生A/D转换器的时钟脉冲。电阻R14和电位器P3为基准电压的偏置电阻，当满量程为200mV时，调节电位器P3使基准电压为100mV，给IC9提供参考电压，电位器P3用于调节基准电压值，以便校准测量值和显示数值。校准后测量值送到LCD显示器以数字形式显示。

Claims

1.一种细胞电阻测量系统，其特征在于，交流方波微电流源电路将交流方波微电流信号施加在被测细胞上，输出与被测细胞电阻成正比的交流方波电压，该电压通过精密整流电路变成直流电压后，送入A/D转换电路进行模数转换，产生与被测细胞电阻成比例的数字量，然后送数字显示电路显示，电源电路将9V电池单电源变换成对称输出±4.5V的双电源，供各电路使用。

2.根据权利要求1所述细胞电阻测量系统，其特征在于，所述电源电路由开关、CMOS开关电容电压转换器TL7660、变换电容和两个串联的滤波电容组成，9V电池通过开关接TL7660的Vcc和Vout，CMOS开关电容电压转换器TL7660的LV和GND脚接在两个串联的滤波电容中间点，两个串联滤波电容的另一端分别输出+4.5V和-4.5V电源。

3.根据权利要求1所述细胞电阻测量系统，其特征在于，所述交流方波微电流源电路由振荡器、恒流源电路和保护电路组成，振荡器的CMOS定时芯片ICM7555的VCC和GND引脚分别接所述电源电路输出的+4.5V和-4.5V端，定时芯片ICM7555输出引脚OUT经充放电电阻与充放电容器串联连接后接-4.5V电源，恒流源电路由三端可调恒流源器件LM334和可调电位器组成，定时芯片ICM7555输出引脚OUT分别通过两个二极管分两路分别接三端可调恒流源器件LM334和可调电位器组成正恒流源和负恒流源，正恒流源和负恒流源分别经过保护二极管输出接+4.5V和-4.5V端，正恒流源和负恒流源输出点和地接串联的保护电路和被测细胞电阻。

4.根据权利要求1所述细胞电阻测量系统，其特征在于，所述精密整流电路包括交流耦合电容、防电穿孔脉冲保护电路、高输入阻抗微功耗电压跟随器和整流电路组成，被测细胞电阻的输出电压进行交流耦合电容，去除细胞膜电位产生的直流成分后，经过防电穿孔脉冲保护电路接高输入阻抗微功耗电压跟随器，提高电路的输出阻抗，消除后接整流电路对被测细胞电阻电压的影响，高输入阻抗微功耗电压跟随器输出接整流电路。

5.根据权利要求1所述细胞电阻测量系统，其特征在于，所述A/D转换电路依次包括量程选择电路、低通滤波器和双积分3位半A/D转换的CMOS型集成电路。