CN102559483B - 实时监测细胞行为和状态的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时监测细胞行为和状态的装置和方法，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；本发明的装置和方法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。
Description
技术领域
本发明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装置和方法。
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”的发明专利中，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和方法。
发明内容
本发明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装置和方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一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、铂丝电极、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、出样软管和铂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，铂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；O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。
一种应用上述装置实时监测细胞-芯片阻抗的方法，包括以下步骤：
（1）将本装置的传感器检测单元置于CO2细胞培养箱内；
（2）向第一注射器存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵上；
（3）检测仪器通过第一微量注射泵控制信号连接线控制第一微量注射泵以固定速度推动第一注射器向细胞培养测量腔体内输入细胞悬液；
（4）检测仪器通过第一信号连接线在铂丝电极上加一个直流和交流叠加的电压；
（5）检测仪器通过第三信号连接线、第四信号连接线在LED上加一个直流电压驱动LED发光；
（6）检测仪器通过第二信号连接线以一个固定的时间间隔，重复测量传感器检测单元的响应电流信号；
（7）经过一个固定的时间间隔，向第二注射器存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵上；
（8）检测仪器通过第二微量注射泵控制信号连接线控制第二微量注射泵以固定速度推动第二注射器向细胞培养测量腔体内输入新鲜细胞培养液；
（9）循环重复上述步骤6，步骤7、步骤8，直到经过了几天后，结束测量。
一种应用上述装置实时监测细胞代谢氢离子的方法，包括以下步骤：
（1）将本装置的传感器检测单元置于CO2细胞培养箱内；
（2）向第一注射器存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵上；
（3）检测仪器通过第一微量注射泵控制信号连接线控制第一微量注射泵以固定速度推动第一注射器向细胞培养测量腔体内输入细胞悬液；
（4）检测仪器通过第一信号连接线在铂丝电极上加一个直流电压；
（5）检测仪器通过第三信号连接线、第四信号连接线在LED上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED发光；
（6）检测仪器通过第二信号连接线以一个固定的时间间隔，重复测量传感器检测单元的响应电流信号；
（7）经过一个固定的时间间隔，向第二注射器存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵上；
（8）检测仪器通过第二微量注射泵控制信号连接线控制第二微量注射泵以固定速度推动第二注射器向细胞培养测量腔体内输入新鲜细胞培养液；
（9）循环重复上述步骤6，步骤7、步骤8，直到经过了几天后，进入下一步骤；
（10）向第二注射器存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵上；
（11）检测仪器通过第二微量注射泵控制信号连接线控制第二微量注射泵以固定速度推动第二注射器向细胞培养测量腔体内输入新鲜细胞培养液；
（12）检测仪器通过第二信号连接线以一个固定的时间间隔，重复测量传感器检测单元的响应电流信号；
（13）经过一个固定的时间间隔，检测仪器通过第二微量注射泵控制信号连接线控制第二微量注射泵以固定速度推动第二注射器向细胞培养测量腔体内注射入新鲜细胞培养液，之后重复步骤12；
（14）重复上述步骤13一定次数后，结束测量。
一种应用上述装置实时监测细胞-芯片阻抗和代谢氢离子的方法，包括以下步骤：
（1）将本装置的传感器检测单元置于CO2细胞培养箱内；
（2）向第一注射器存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵上；
（3）检测仪器通过第一微量注射泵控制信号连接线控制第一微量注射泵以固定速度推动第一注射器向细胞培养测量腔体内输入细胞悬液；
（4）检测仪器通过第一信号连接线在铂丝电极上加一个直流和交流叠加的电压；
（5）检测仪器通过第三信号连接线、第四信号连接线在LED上加一个直流电压驱动LED发光；
（6）检测仪器通过第二信号连接线测量传感器检测单元的响应电流信号；
（7）在一个固定的时间间隔后，检测仪器通过第一信号连接线在铂丝电极上加一个直流电压；
（8）检测仪器通过第三信号连接线、第四信号连接线在LED上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED发光；
（9）检测仪器通过第二信号连接线测量传感器检测单元的响应电流信号；
（10）循环重复上述步骤4-9，直到下一步骤；
（11）经过一个固定的时间间隔，向第二注射器存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵上；
（12）检测仪器通过第二微量注射泵控制信号连接线控制第二微量注射泵以固定速度推动第二注射器向细胞培养测量腔体内输入新鲜细胞培养液；
（13）循环重复上述步骤10，步骤11，步骤12，直到经过了几天后，进入下一步骤；
（14）检测仪器通过第一信号连接线在铂丝电极上加一个直流和交流叠加的电压；
（15）检测仪器通过第三信号连接线、第四信号连接线在LED上加一个直流电压驱动LED发光；
（16）检测仪器通过第二信号连接线测量传感器检测单元的响应电流信号；
（17）在一个固定的时间间隔后，检测仪器通过第一信号连接线在铂丝电极上加一个直流电压；
（18）检测仪器通过第三信号连接线、第四信号连接线在LED上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED发光；
（19）检测仪器通过第二信号连接线测量传感器检测单元的响应电流信号；
（20）循环重复上述步骤14-19，直到下一步骤；
（21）经过一个固定的时间间隔，重复上述步骤12、步骤14-20；
（22）重复步骤21一定次数后，结束测量。
一种上述装置实时监测混合溶液作用下的细胞-芯片阻抗和代谢氢离子的方法，包括以下步骤：
（1）将本装置的传感器检测单元置于CO2细胞培养箱内；
（2）向第一注射器存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵上；
（3）检测仪器通过第一微量注射泵控制信号连接线控制第一微量注射泵以固定速度推动第一注射器向细胞培养测量腔体内输入细胞悬液；
（4）检测仪器通过第一信号连接线在铂丝电极上加一个直流和交流叠加的电压；
（5）检测仪器通过第三信号连接线、第四信号连接线在LED上加一个直流电压驱动LED发光；
（6）检测仪器通过第二信号连接线测量传感器检测单元的响应电流信号；
（7）在一个固定的时间间隔后，检测仪器通过第一信号连接线在铂丝电极上加一个直流电压；
（8）检测仪器通过第三信号连接线、第四信号连接线在LED上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED发光；
（9）检测仪器通过第二信号连接线测量传感器检测单元的响应电流信号；
（10）循环重复上述步骤4-9，直到下一步骤；
（11）经过一个固定的时间间隔，向第二注射器存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵上；
（12）检测仪器通过第二微量注射泵控制信号连接线控制第二微量注射泵以固定速度推动第二注射器向细胞培养测量腔体内输入新鲜细胞培养液；
（13）循环重复上述步骤10，步骤11，步骤12，直到下一步骤；
（14）经过几天后，向第二注射器存放入调节物溶液，并置于第二微量注射泵上；
（15）检测仪器通过第一微量注射泵控制信号连接线、第二微量注射泵控制信号连接线分别控制第一微量注射泵、第二微量注射泵以各自固定速度分别推动第一注射器、第二注射器向塑料Y型接头管中输入溶液，经过塑料Y型接头管混合后，混合液输入细胞培养测量腔体内；
（16）检测仪器通过第一信号连接线在铂丝电极上加一个直流和交流叠加的电压；
（17）检测仪器通过第三信号连接线、第四信号连接线在LED上加一个直流电压驱动LED发光；
（18）检测仪器通过第二信号连接线测量传感器检测单元的响应电流信号；
（19）在一个固定的时间间隔后，检测仪器通过第一信号连接线在铂丝电极上加一个直流电压；
（20）检测仪器通过第三信号连接线、第四信号连接线在LED上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED发光；
（21）检测仪器通过第二信号连接线测量传感器检测单元的响应电流信号；
（22）循环重复上述步骤16-21，直到下一步骤；
（23）经过一个固定的时间间隔，重复上述步骤15-22；
（24）重复上述步骤23一定次数后，结束测量。
本发明的有益效果是：
1、本发明的装置和方法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。
2、本发明的装置和方法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。
3、本发明的装置和方法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。
附图说明
图1是本发明的装置的整体结构和连接图；
图2是本发明传感器检测单元的结构装配图；
图3是本发明光激励半导体芯片的结构示意图；
图4是本发明实时监测细胞-芯片阻抗的方法示意图；
图5是本发明实时监测细胞代谢氢离子的方法示意图；
图6是本发明实时监测细胞-芯片阻抗和代谢氢离子的方法示意图；
图7是本发明实时监测混合溶液作用下细胞-芯片阻抗和代谢氢离子的方法示意图。
图中，第一微量注射泵1、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、铂丝电极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、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
下面结合附图和具体实施方式进一步详细描述本发明。
如图1所示，本发明实时监测细胞行为和状态的装置包括：第一微量注射泵1、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1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外，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1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1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、铂丝电极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、传感器固定底座32。其中，进样软管18一端与第三医用软管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测量腔体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；铂丝电极20一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，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。O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、O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内形成一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，LED 28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工艺制造而成，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，掺杂杂质的硅片层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。本发明利用此原理，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。本发明采用的光激励半导体芯片24也可作为阻抗测量器件。具体说：在铂丝电极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换算得到芯片阻抗。当细胞在光激励半导体芯片24上表面贴附、增殖和伸展形成致密连接时，会阻碍检测回路的电流信号，进而换算得到的阻抗值将变大。而一些调节物，例如细胞毒素和药物等，能破坏细胞的贴附或增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-芯片阻抗，它表征了细胞在芯片表面贴附生长的行为和状态。另外，本发明利用强度调制的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，降低了芯片阻抗，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测量，并且细胞-芯片阻抗是在芯片特性饱和区偏置电压下测量，因此克服了氢离子浓度改变对细胞-芯片阻抗测量的影响。使用本发明的装置和方法实现了细胞-芯片阻抗和代谢氢离子浓度在单独一块光激励半导体芯片上互不干扰地测量。
如图4所示，本发明提供利用本装置实时监测细胞-芯片阻抗的方法。该方法包括：提供本发明的装置；将细胞培养在装置中的光激励半导体芯片24的上表面；并监控传感器检测单元10的细胞-芯片阻抗。具体的实施步骤包括：
1、将本装置的传感器检测单元10置于CO2细胞培养箱内；
2、向第一注射器3存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵1上；
3、检测仪器15通过第一微量注射泵控制信号连接线16控制第一微量注射泵1以固定速度推动第一注射器3向细胞培养测量腔体23内输入细胞悬液；
4、检测仪器15通过第一信号连接线11在铂丝电极20上加一个直流和交流叠加的电压；
5、检测仪器15通过第三信号连接线13、第四信号连接线14在LED 28上加一个直流电压驱动LED 28发光；
6、检测仪器15通过第二信号连接线12以一个固定的时间间隔，重复测量传感器检测单元10的响应电流信号；
7、经过一个固定的时间间隔，向第二注射器4存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵2上；
8、检测仪器15通过第二微量注射泵控制信号连接线17控制第二微量注射泵2以固定速度推动第二注射器4向细胞培养测量腔体23内输入新鲜细胞培养液；
9、循环重复上述步骤6，步骤7、步骤8，直到经过了几天后，结束测量。
在上述步骤中，一个优选的实施方案是：在步骤6中，固定的时间间隔为1分钟；在步骤7中，固定的时间间隔为12小时；在步骤9中对于不同的样品细胞，经过2-4天后，结束测量。
如图5所示，本发明提供利用本装置实时监测细胞代谢氢离子的方法。该方法包括：提供本发明的装置；将细胞培养在装置中的光激励半导体芯片24的上表面；并监控细胞培养测量腔23内的氢离子浓度。具体的实施步骤包括：
1、将本装置的传感器检测单元10置于CO2细胞培养箱内；
2、向第一注射器3存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵1上；
3、检测仪器15通过第一微量注射泵控制信号连接线16控制第一微量注射泵1以固定速度推动第一注射器3向细胞培养测量腔体23内输入细胞悬液；
4、检测仪器15通过第一信号连接线11在铂丝电极20上加一个直流电压；
5、检测仪器15通过第三信号连接线13、第四信号连接线14在LED 28上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED 28发光；
6、检测仪器15通过第二信号连接线12以一个固定的时间间隔，重复测量传感器检测单元10的响应电流信号；
7、经过一个固定的时间间隔，向第二注射器4存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵2上；
8、检测仪器15通过第二微量注射泵控制信号连接线17控制第二微量注射泵2以固定速度推动第二注射器4向细胞培养测量腔体23内输入新鲜细胞培养液；
9、循环重复上述步骤6，步骤7、步骤8，直到经过了几天后，进入下一步骤；
10、向第二注射器4存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵2上；
11、检测仪器15通过第二微量注射泵控制信号连接线17控制第二微量注射泵2以固定速度推动第二注射器4向细胞培养测量腔体23内输入新鲜细胞培养液；
12、检测仪器15通过第二信号连接线12以一个固定的时间间隔，重复测量传感器检测单元10的响应电流信号；
13、经过一个固定的时间间隔，检测仪器15通过第二微量注射泵控制信号连接线17控制第二微量注射泵2以固定速度推动第二注射器4向细胞培养测量腔体23内注射入新鲜细胞培养液，之后重复步骤12；
14、重复上述步骤13一定次数后，结束测量。
在上述步骤中，一个优选的实施方案是：在步骤6中，固定的时间间隔为1分钟；在步骤7中，固定的时间间隔为12小时；在步骤12中，固定的时间间隔为1秒钟；在步骤13中，固定的时间间隔为20分钟；在步骤14中经过8次后结束测量。
如图6所示，本发明提供利用本装置实时监测细胞-芯片阻抗和代谢氢离子的方法。该方法包括：提供本发明的装置；将细胞培养在装置中的光激励半导体芯片24的上表面；并监控传感器检测单元10的细胞-芯片阻抗和细胞培养测量腔内的氢离子浓度。具体的实施步骤包括：
1、将本装置的传感器检测单元10置于CO2细胞培养箱内；
2、向第一注射器3存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵1上；
3、检测仪器15通过第一微量注射泵控制信号连接线16控制第一微量注射泵1以固定速度推动第一注射器3向细胞培养测量腔体23内输入细胞悬液；
4、检测仪器15通过第一信号连接线11在铂丝电极20上加一个直流和交流叠加的电压；
5、检测仪器15通过第三信号连接线13、第四信号连接线14在LED 28上加一个直流电压驱动LED 28发光；
6、检测仪器15通过第二信号连接线12测量传感器检测单元10的响应电流信号；
7、在一个固定的时间间隔后，检测仪器15通过第一信号连接线11在铂丝电极20上加一个直流电压；
8、检测仪器15通过第三信号连接线13、第四信号连接线14在LED 28上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED 28发光；
9、检测仪器15通过第二信号连接线12测量传感器检测单元10的响应电流信号；
10、循环重复上述步骤4-9，直到下一步骤；
11、经过一个固定时间间隔，向第二注射器4存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵2上；
12、检测仪器15通过第二微量注射泵控制信号连接线17控制第二微量注射泵2以固定速度推动第二注射器4向细胞培养测量腔体23内输入新鲜细胞培养液；
13、循环重复上述步骤10，步骤11，步骤12，直到经过了几天后，进入下一步骤；
14、检测仪器15通过第一信号连接线11在铂丝电极20上加一个直流和交流叠加的电压；
15、检测仪器15通过第三信号连接线13、第四信号连接线14在LED 28上加一个直流电压驱动LED 28发光；
16、检测仪器15通过第二信号连接线12测量传感器检测单元10的响应电流信号；
17、在一个固定的时间间隔后，检测仪器15通过第一信号连接线11在铂丝电极20上加一个直流电压；
18、检测仪器15通过第三信号连接线13、第四信号连接线14在LED 28上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED 28发光；
19、检测仪器15通过第二信号连接线12测量传感器检测单元10的响应电流信号；
20、循环重复上述步骤14-19，直到下一步骤；
21、经过一个固定的时间间隔，重复上述步骤12、步骤14-20；
22、重复步骤21一定次数后，结束测量。
在上述步骤中，一个优选的实施方案是：在步骤7中，固定的时间间隔为1分钟；在步骤11中，固定的时间间隔为12小时；在步骤13中，对于不同的样品细胞，经过2-4天后实施其后步骤；在步骤17中，固定的时间间隔为1秒钟；在步骤21中，固定的时间间隔为20分钟；在步骤22中，重复8次后，结束测量。
如图7所示，本发明还提供利用本装置实时监测混合溶液作用下的细胞-芯片阻抗和代谢氢离子的方法。该方法包括：提供本发明的装置；将细胞培养在装置中的光激励半导体芯片24的上表面；并监控传感器检测单元10的细胞-芯片阻抗和细胞培养测量腔内的氢离子浓度。具体的实施步骤包括：
1、将本装置的传感器检测单元10置于CO2细胞培养箱内；
2、向第一注射器3存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵1上；
3、检测仪器15通过第一微量注射泵控制信号连接线16控制第一微量注射泵1以固定速度推动第一注射器3向细胞培养测量腔体23内输入细胞悬液；
4、检测仪器15通过第一信号连接线11在铂丝电极20上加一个直流和交流叠加的电压；
5、检测仪器15通过第三信号连接线13、第四信号连接线14在LED 28上加一个直流电压驱动LED 28发光；
6、检测仪器15通过第二信号连接线12测量传感器检测单元10的响应电流信号；
7、在一个固定的时间间隔后，检测仪器15通过第一信号连接线11在铂丝电极20上加一个直流电压；
8、检测仪器15通过第三信号连接线13、第四信号连接线14在LED 28上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED 28发光；
9、检测仪器15通过第二信号线12测量传感器检测单元10的响应电流信号；
10、循环重复上述步骤4-9，直到下一步骤；
11、经过一个固定的时间间隔，向第二注射器4存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵2上；
12、检测仪器15通过第二微量注射泵控制信号连接线17控制第二微量注射泵2以固定速度推动第二注射器4向细胞培养测量腔体23内输入新鲜细胞培养液；
13、循环重复上述步骤10，步骤11，步骤12，直到下一步骤；
14、经过几天后，向第二注射器4存放入调节物溶液，并置于第二微量注射泵2上；
15、检测仪器15通过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分别控制第一微量注射泵1、第二微量注射泵2以各自固定速度分别推动第一注射器3、第二注射器4向塑料Y型接头管7中输入溶液，经过塑料Y型接头管7混合后，混合液输入细胞培养测量腔体23内；
16、检测仪器15通过第一信号连接线11在铂丝电极20上加一个直流和交流叠加的电压；
17、检测仪器15通过第三信号连接线13、第四信号连接线14在LED 28上加一个直流电压驱动LED 28发光；
18、检测仪器15通过第二信号连接线12测量传感器检测单元10的响应电流信号；
19、在一个固定的时间间隔后，检测仪器15通过第一信号连接线11在铂丝电极20上加一个直流电压；
20、检测仪器15通过第三信号连接线13、第四信号连接线14在LED 28上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED 28发光；
21、检测仪器15通过第二信号连接线12测量传感器检测单元10的响应电流信号；
22、循环重复上述步骤16-21，直到下一步骤；
23、经过一个固定时间间隔，重复上述步骤15-22；
24、重复上述步骤23一定次数后，结束测量。
在上述步骤中，一个优选的实施方案是：在步骤7中固定的时间间隔为1分钟；在步骤11中固定的时间间隔为12小时；在步骤14中，对于不同的样品细胞，经过2-4天后实施其后步骤；在步骤19中，固定的时间间隔为1秒钟；在步骤23中，固定的时间间隔为20分钟；在步骤24中，重复8次后，结束测量。
在上述具体实施方式中，塑料Y型接头管7采用的是对细胞无毒、防腐蚀的塑料材质，也可采用其它的对细胞无毒和防腐蚀的材料。
在上述具体实施方式中，细胞培养测量腔体上盖21、细胞培养测量腔体23采用的是对细胞无毒和防腐蚀的有机玻璃材料，也可采用其它的对细胞无毒和防腐蚀的材料。
在上述具体实施方式中，O型硅橡胶密封垫圈22采用的是对细胞无毒、防腐蚀、具有良好弹性和密封性能的硅橡胶材料，也可采用其它的对细胞无毒、防腐蚀、具有良好弹性和密封性能材料。
在上述具体实施方式中，LED固定腔体27、传感器固定底座32采用的是有机玻璃材料，也可采用其它的防腐蚀、硬质的材料。
在上述具体实施方式中，传感器固定螺丝33、34、35、36采用的是防腐蚀的合金材料，也可采用其它防腐蚀的材料。
本发明所述的装置和方法并不限于具体实施方式中的实施方案，根据本发明的技术方案得到的其它实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。
Claims (5)
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（1）、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（1）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（1）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；所述传感器检测单元（10）包括：进样软管（18）、出样软管（19）、铂丝电极（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）和铂丝电极（20）的一端均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；进样软管（18）的另一端与第三医用软管（8）相连，铂丝电极（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；O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。
2.一种应用权利要求1所述装置实时监测细胞-芯片阻抗的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将本装置的传感器检测单元（10）置于CO2细胞培养箱内；
（2）向第一注射器（3）存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵（1）上；
（3）检测仪器（15）通过第一微量注射泵控制信号连接线（16）控制第一微量注射泵（1）以固定速度推动第一注射器（3）向细胞培养测量腔体（23）内输入细胞悬液；
（4）检测仪器（15）通过第一信号连接线（11）在铂丝电极（20）上加一个直流和交流叠加的电压；
（5）检测仪器（15）通过第三信号连接线（13）、第四信号连接线（14）在LED（28）上加一个直流电压驱动LED（28）发光；
（6）检测仪器（15）通过第二信号连接线（12）以一个固定的时间间隔，重复测量传感器检测单元（10）的响应电流信号；
（7）经过一个固定的时间间隔，向第二注射器（4）存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵（2）上；
（8）检测仪器（15）通过第二微量注射泵控制信号连接线（17）控制第二微量注射泵（2）以固定速度推动第二注射器（4）向细胞培养测量腔体（23）内输入新鲜细胞培养液；
（9）循环重复上述步骤（6）、步骤（7）和步骤（8），直到经过了几天后，结束测量。
3.一种应用权利要求1所述装置实时监测细胞代谢氢离子的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将本装置的传感器检测单元（10）置于CO2细胞培养箱内；
（2）向第一注射器（3）存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵（1）上；
（3）检测仪器（15）通过第一微量注射泵控制信号连接线（16）控制第一微量注射泵（1）以固定速度推动第一注射器（3）向细胞培养测量腔体（23）内输入细胞悬液；
（4）检测仪器（15）通过第一信号连接线（11）在铂丝电极（20）上加一个直流电压；
（5）检测仪器（15）通过第三信号连接线（13）、第四信号连接线（14）在LED （28）上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED（28）发光；
（6）检测仪器（15）通过第二信号连接线（12）以一个固定的时间间隔，重复测量传感器检测单元（10）的响应电流信号；
（7）经过一个固定的时间间隔，向第二注射器（4）存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵（2）上；
（8）检测仪器（15）通过第二微量注射泵控制信号连接线（17）控制第二微量注射泵（2）以固定速度推动第二注射器（4）向细胞培养测量腔体（23）内输入新鲜细胞培养液；
（9）循环重复上述步骤（6）、步骤（7）和步骤（8），直到经过了几天后，进入下一步骤；
（10）向第二注射器（4）存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵（2）上；
（11）检测仪器（15）通过第二微量注射泵控制信号连接线（17）控制第二微量注射泵（2）以固定速度推动第二注射器（4）向细胞培养测量腔体（23）内输入新鲜细胞培养液；
（12）检测仪器（15）通过第二信号连接线（12）以一个固定的时间间隔，重复测量传感器检测单元（10）的响应电流信号；
（13）经过一个固定的时间间隔，检测仪器（15）通过第二微量注射泵控制信号连接线（17）控制第二微量注射泵（2）以固定速度推动第二注射器（4）向细胞培养测量腔体（23）内注射入新鲜细胞培养液，之后重复步骤（12）；
（14）重复上述步骤（13）一定次数后，结束测量。
4.一种应用权利要求1所述装置实时监测细胞-芯片阻抗和代谢氢离子的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将本装置的传感器检测单元（10）置于CO2细胞培养箱内；
（2）向第一注射器（3）存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵（1）上；
（3）检测仪器（15）通过第一微量注射泵控制信号连接线（16）控制第一微量注射泵（1）以固定速度推动第一注射器（3）向细胞培养测量腔体（23）内输入细胞悬液；
（4）检测仪器（15）通过第一信号连接线（11）在铂丝电极（20）上加一个直流和交流叠加的电压；
（5）检测仪器（15）通过第三信号连接线（13）、第四信号连接线（14）在LED（28）上加一个直流电压驱动LED（28）发光；
（6）检测仪器（15）通过第二信号连接线（12）测量传感器检测单元（10）的响应电流信号；
（7）在一个固定的时间间隔后，检测仪器（15）通过第一信号连接线（11）在铂丝电极（20）上加一个直流电压；
（8）检测仪器（15）通过第三信号连接线（13）、第四信号连接线（14）在LED（28）上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED（28）发光；
（9）检测仪器（15）通过第二信号连接线（12）测量传感器检测单元（10）的响应电流信号；
（10）循环重复上述步骤（4）-（9），直到下一步骤；
（11）经过一个固定时间间隔，向第二注射器（4）存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵（2）上；
（12）检测仪器（15）通过第二微量注射泵控制信号连接线（17）控制第二微量注射泵（2）以固定速度推动第二注射器（4）向细胞培养测量腔体（23）内输入新鲜细胞培养液；
（13）循环重复上述步骤（10）、步骤（11）和步骤（12），直到经过了几天后，进入下一步骤；
（14）检测仪器（15）通过第一信号连接线（11）在铂丝电极（20）上加一个直流和交流叠加的电压；
（15）检测仪器（15）通过第三信号连接线（13）、第四信号连接线（14）在LED （28）上加一个直流电压驱动LED（28）发光；
（16）检测仪器（15）通过第二信号连接线（12）测量传感器检测单元（10）的响应电流信号；
（17）在一个固定的时间间隔后，检测仪器（15）通过第一信号连接线（11）在铂丝电极（20）上加一个直流电压；
（18）检测仪器（15）通过第三信号连接线（13）、第四信号连接线（14）在LED（28）上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED（28）发光；
（19）检测仪器（15）通过第二信号连接线（12）测量传感器检测单元（10）的响应电流信号；
（20）循环重复上述步骤（14）-（19），直到下一步骤；
（21）经过一个固定的时间间隔，重复上述步骤（12）、步骤（14）-（20）；
（22）重复步骤（21）一定次数后，结束测量。
5.一种应用权利要求1所述装置实时监测混合溶液作用下的细胞-芯片阻抗和代谢氢离子的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）将本装置的传感器检测单元（10）置于CO2细胞培养箱内；
（2）向第一注射器（3）存放入新鲜细胞悬液，并置于第一微量注射泵（1）上；
（3）检测仪器（15）通过第一微量注射泵控制信号连接线（16）控制第一微量注射泵（1）以固定速度推动第一注射器（3）向细胞培养测量腔体（23）内输入细胞悬液；
（4）检测仪器（15）通过第一信号连接线（11）在铂丝电极（20）上加一个直流和交流叠加的电压；
（5）检测仪器（15）通过第三信号连接线（13）、第四信号连接线（14）在LED（28）上加一个直流电压驱动LED（28）发光；
（6）检测仪器（15）通过第二信号连接线（12）测量传感器检测单元（10）的响应电流信号；
（7）在一个固定的时间间隔后，检测仪器（15）通过第一信号连接线（11）在铂丝电极（20）上加一个直流电压；
（8）检测仪器（15）通过第三信号连接线（13）、第四信号连接线（14）在LED（28）上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED（28）发光；
（9）检测仪器（15）通过第二信号连接线（12）测量传感器检测单元（10）的响应电流信号；
（10）循环重复上述步骤（4）-（9），直到下一步骤；
（11）经过一个固定的时间间隔，向第二注射器（4）存放入新鲜细胞培养液，并置于第二微量注射泵（2）上；
（12）检测仪器（15）通过第二微量注射泵控制信号连接线（17）控制第二微量注射泵（2）以固定速度推动第二注射器（4）向细胞培养测量腔体（23）内输入新鲜细胞培养液；
（13）循环重复上述步骤（10）、步骤（11）、步骤（12），直到下一步骤；
（14）经过几天后，向第二注射器（4）存放入调节物溶液，并置于第二微量注射泵（2）上；
（15）检测仪器（15）通过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）分别控制第一微量注射泵（1）、第二微量注射泵（2）以各自固定速度分别推动第一注射器（3）、第二注射器（4）向塑料Y型接头管（7）中输入溶液，经过塑料Y型接头管（7）混合后，混合液输入细胞培养测量腔体（23）内；
（16）检测仪器（15）通过第一信号连接线（11）在铂丝电极（20）上加一个直流和交流叠加的电压；
（17）检测仪器（15）通过第三信号连接线（13）、第四信号连接线（14）在LED（28）上加一个直流电压驱动LED（28）发光；
（18）检测仪器（15）通过第二信号连接线（12）测量传感器检测单元（10）的响应电流信号；
（19）在一个固定的时间间隔后，检测仪器（15）通过第一信号连接线（11）在铂丝电极（20）上加一个直流电压；
（20）检测仪器（15）通过第三信号连接线（13）、第四信号连接线（14）在LED（ 28）上加一个直流和交流叠加的电压驱动LED（28）发光；
（21）检测仪器（15）通过第二信号连接线（12）测量传感器检测单元（10）的响应电流信号；
（22）循环重复上述步骤（16）-（21），直到下一步骤；
（23）经过一个固定的时间间隔，重复上述步骤（15）-（22）；
（24）重复上述步骤（23）一定次数后，结束测量。
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